Las células sintéticas, diseñadas para imitar algunas de las funciones realizadas por las células vivas, son prometedoras para aplicaciones en biotecnología y medicina. Sin embargo, incluso las células biológicas más pequeñas son extremadamente complejas y la construcción de células artificiales vivas se enfrenta a numerosos obstáculos. investigadores en el Laboratorio Schulman Los investigadores de la Universidad Johns Hopkins han avanzado recientemente hacia uno de estos desafíos: el intercambio de materia e información a través de los límites celulares.
Escribiendo en Science Advances, los investigadores, trabajando en colaboración con el Grupo Aksimentiev en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, demuestran el transporte sin fugas de moléculas pequeñas a través de nanocanales de ADN diseñados a través de distancias sin precedentes. En el futuro, su trabajo podrá ayudar en la construcción de células artificiales y también en el estudio y manipulación de tejido vivo.
Las células de los organismos multicelulares necesitan intercambiar materia y comunicarse para garantizar su supervivencia colectiva. Dado que cada célula está rodeada por una membrana lipídica que es impenetrable para muchas moléculas biológicas, la evolución ha producido mecanismos mediante los cuales se puede atravesar esta barrera. Los receptores de señalización, los transportadores y los poros transmiten información y permiten el paso de moléculas entre las células y su exterior, mientras que los contactos celulares, como las uniones en hendidura, conectan directamente el interior de las células vecinas y permiten la difusión de moléculas pequeñas de célula a célula.
Para imitar estos procesos en sistemas artificiales, "los investigadores han desarrollado células sintéticas colocadas una al lado de la otra que pueden comunicarse a través de poros de proteínas en sus membranas", explica el primer autor Yi Li, quien codirigió el estudio. "Sin embargo, desarrollar sistemas de células sintéticas en los que las células puedan comunicarse e intercambiar materiales a través de distancias más largas sigue siendo un desafío".
Las estructuras proteicas que facilitan la comunicación entre células en biología se construyen "de abajo hacia arriba" a partir de aminoácidos: la información codificada en su secuencia se traduce en una estructura. Otra macromolécula biológica, el ADN, se utiliza principalmente para almacenar información en las células; pero debido a su facilidad de síntesis y su potencial para formar estructuras de alto nivel, el campo de la nanotecnología del ADN ha ido mucho más allá de su primera prueba de concepto hace unos 30 años. Desde entonces, los científicos han ensamblado estructuras 2D y 3D cada vez más sofisticadas a partir del ADN, incluidas redes, tubos, cuerpos geométricos e incluso representaciones artísticas de caras sonrientes, en esfuerzos conocidos como origami de ADN.
En su estudio, los investigadores del Schulman Lab combinaron nanoporos de origami de ADN, que unen las membranas de vesículas similares a células y crean pequeñas aberturas para que las moléculas crucen, con nanotubos de ADN autoensamblados diseñados. Al cuantificar el flujo de una molécula de tinte en las vesículas, demostraron que los nanoporos cortos hacían que la membrana fuera permeable al tinte. También validaron que la velocidad de este transporte es consistente con la difusión y descubrieron que una tapa de ADN especialmente diseñada puede bloquear los poros e impedir la entrada del tinte.
Luego, el equipo amplió este trabajo a nanotubos de ADN con una longitud media de 700 nm y un máximo de más de 2 µm. Una vez más, los experimentos demostraron que la entrada de colorante aumenta en presencia de construcciones de ADN y que la tapa puede detener la permeación. La implicación, dice Li, es que “las moléculas pequeñas pueden pasar a través de los tubos sin fugas, y esperamos que las moléculas grandes, como las proteínas, también puedan ser transportadas a través de estos nanotubos”.
Los miembros del Grupo Aksimentiev realizaron simulaciones por computadora de dinámica browniana del sistema nanoporo-tinte. Estos ilustraron que para moléculas por debajo de un tamaño umbral, la fuga a través de la pared lateral del tubo de ADN dominaba la entrada, mientras que para moléculas más grandes, la difusión de un extremo a otro se convierte en el mecanismo preferido.
Li explica que tales simulaciones son complementarias a los experimentos de dos maneras. "Se pueden utilizar como herramientas de diseño para ayudar a los investigadores a diseñar estructuras a nanoescala que tengan funciones específicas", afirma, por ejemplo "simulando la cinética de autoensamblaje de nuestras nanoestructuras de ADN", pero también ayudan a "validar resultados experimentales y proporcionar conocimientos adicionales sobre los procesos físicos”.
Diseño de ADN hágalo usted mismo
Rebecca Schulman, que codirigió la investigación, establece una analogía con las tuberías. “Este estudio sugiere firmemente que es factible construir nanotubos que no tengan fugas utilizando estas sencillas técnicas de autoensamblaje, en las que mezclamos moléculas en una solución y simplemente las dejamos formar la estructura que queremos. En nuestro caso, también podemos conectar estos tubos a diferentes puntos finales para formar algo parecido a una plomería”.
El laboratorio tiene planes ambiciosos para la aplicación de estos nanotubos. “Los desarrollos futuros incluyen conectar dos o más células artificiales con nuestros nanotubos de ADN y mostrar el transporte molecular entre ellas. Potencialmente podemos demostrar [que] el transporte de moléculas de señalización desde una célula puede activar/desactivar la expresión genética en otra célula”, dice Li. Mundo de la física. El equipo también espera "utilizar nanotubos para controlar la administración de moléculas de señalización o terapias a células de mamíferos, ya sea para estudiar comportamientos de señalización celular o para desarrollar una estrategia de administración de fármacos".
