سلول های مصنوعی، مهندسی شده برای تقلید برخی از عملکردهای انجام شده توسط سلول های زنده، نویدبخش کاربردهایی در بیوتکنولوژی و پزشکی هستند. با این حال، حتی کوچک‌ترین سلول‌های بیولوژیکی نیز بسیار پیچیده هستند و ساخت سلول‌های مصنوعی زنده با موانع متعددی مواجه است. محققان در آزمایشگاه شولمن در دانشگاه جان هاپکینز اخیراً به سمت یکی از این چالش ها پیشرفت کرده اند: تبادل ماده و اطلاعات در سراسر مرزهای سلول.
نوشتن در با پیشرفتهای علمی، محققان - با همکاری گروه آکسیمنتیف در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign - انتقال بدون نشت مولکول‌های کوچک را از طریق نانوکانال‌های DNA مهندسی شده در فواصل بی‌سابقه نشان می‌دهد. در آینده، کار آنها ممکن است به ساخت سلول های مصنوعی کمک کند و همچنین به مطالعه و دستکاری بافت زنده کمک کند.
سلول های موجودات چند سلولی برای اطمینان از بقای جمعی خود نیاز به تبادل ماده و ارتباط دارند. از آنجایی که هر سلول توسط یک غشای لیپیدی احاطه شده است که برای بسیاری از مولکول‌های بیولوژیکی غیرقابل نفوذ است، تکامل مکانیسم‌هایی را ایجاد کرده است که توسط آن می‌توان از این مانع عبور کرد. گیرنده‌های سیگنال، ناقل‌ها و منافذ، اطلاعات را ارسال می‌کنند و اجازه عبور مولکول‌ها را بین سلول‌ها و قسمت بیرونی آنها می‌دهند، در حالی که تماس‌های سلولی مانند اتصالات شکاف مستقیماً داخل سلول‌های همسایه را به هم متصل می‌کنند و انتشار سلول به سلول مولکول‌های کوچک را امکان‌پذیر می‌سازند.
برای تقلید از این فرآیندها در سیستم‌های مصنوعی، «محققان سلول‌های مصنوعی را توسعه داده‌اند که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند که می‌توانند از طریق منافذ پروتئینی روی غشاهای خود ارتباط برقرار کنند»، نویسنده اول، یی لی، که سرپرستی این مطالعه بود. با این حال، توسعه سیستم‌های سلول مصنوعی که در آن سلول‌ها می‌توانند در فواصل طولانی‌تر ارتباط برقرار کرده و مواد را مبادله کنند، هنوز یک چالش است.
ساختارهای پروتئینی که ارتباط سلول به سلول را در زیست‌شناسی تسهیل می‌کنند، از اسیدهای آمینه «پایین به بالا» ساخته شده‌اند - اطلاعات کدگذاری شده در توالی آنها به یک ساختار تبدیل می‌شود. ماکرومولکول بیولوژیکی دیگر، DNA، عمدتاً برای ذخیره اطلاعات در سلول ها استفاده می شود. اما به دلیل سهولت سنتز و پتانسیل برای تشکیل ساختارهای سطح بالا، حوزه نانوتکنولوژی DNA بسیار فراتر از اولین اثبات مفهوم خود در حدود 30 سال پیش رفته است. دانشمندان از آن زمان تاکنون ساختارهای پیچیده تری دو بعدی و سه بعدی را از DNA، از جمله شبکه ها، لوله ها، بدنه های هندسی و حتی نمایش های هنری صورتک ها، در تلاش هایی که به عنوان اوریگامی DNA نامیده می شود، جمع آوری کرده اند.
در مطالعه خود، محققان آزمایشگاه شولمن، نانو منافذ اوریگامی DNA را که بر روی غشاهای وزیکول‌های سلولی پل می‌زند و روزنه‌های کوچکی برای عبور مولکول‌ها ایجاد می‌کند، با نانولوله‌های DNA خودآرایی‌شده مهندسی شده ترکیب کردند. با کمی کردن شار یک مولکول رنگ به داخل وزیکول ها، آنها نشان دادند که نانوحفره های کوتاه باعث نفوذپذیری غشاء به رنگ می شوند. آنها همچنین تأیید کردند که سرعت این انتقال با انتشار مطابقت دارد و دریافتند که یک کلاهک خاص طراحی شده DNA می تواند منافذ را مسدود کرده و از ورود رنگ جلوگیری کند.
سپس این تیم این کار را به نانولوله‌های DNA با طول متوسط 700 نانومتر و حداکثر بیش از 2 میکرومتر گسترش دادند. دوباره، آزمایش‌ها نشان داد که هجوم رنگ در حضور ساختارهای DNA افزایش می‌یابد و کلاهک می‌تواند نفوذ را متوقف کند. لی می‌گوید مفهوم این است که «مولکول‌های کوچک می‌توانند بدون نشتی از لوله‌ها عبور کنند و انتظار داریم که مولکول‌های بزرگ مانند پروتئین‌ها نیز از طریق این نانولوله‌ها منتقل شوند».
اعضای گروه Aksimentiev شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دینامیک براونی سیستم نانو منفذ رنگ را انجام دادند. اینها نشان می‌دهند که برای مولکول‌های زیر اندازه آستانه، نشت از طریق دیواره جانبی لوله DNA بر هجوم غالب است، در حالی که برای مولکول‌های بزرگ‌تر، انتشار از انتها به انتها مکانیسم ترجیحی است.
لی توضیح می‌دهد که چنین شبیه‌سازی‌هایی از دو جهت با آزمایش‌ها مکمل هستند. او می‌گوید: «آنها می‌توانند به‌عنوان ابزار طراحی برای کمک به محققان در طراحی ساختارهای نانومقیاس که عملکردهای خاصی دارند، استفاده شوند»، به‌عنوان مثال با «شبیه‌سازی سینتیک خودآرایی نانوساختارهای DNA»، اما همچنین به «تأیید نتایج تجربی و ارائه آنها» کمک می‌کنند. بینش اضافی در مورد فرآیندهای فیزیکی.
طراحی DNA را خودتان انجام دهید
ربکا شولمن - که در این تحقیق مشارکت داشت - قیاسی با لوله ها ترسیم می کند. این مطالعه به شدت نشان می‌دهد که ساخت نانولوله‌هایی که نشت نکنند با استفاده از این تکنیک‌های آسان برای خودآرایی امکان پذیر است، جایی که ما مولکول‌ها را در یک محلول مخلوط می‌کنیم و فقط اجازه می‌دهیم ساختاری را که می‌خواهیم تشکیل دهند. در مورد ما، ما همچنین می‌توانیم این لوله‌ها را به نقاط انتهایی مختلف متصل کنیم تا چیزی شبیه لوله‌کشی ایجاد شود.»
این آزمایشگاه برنامه های بلندپروازانه ای برای استفاده از این نانولوله ها دارد. پیشرفتهای آینده شامل اتصال دو یا چند سلول مصنوعی با نانولوله‌های DNA و نمایش انتقال مولکولی در بین آنها است. لی می گوید: ما به طور بالقوه می توانیم نشان دهیم [که] انتقال مولکول های سیگنال از یک سلول می تواند بیان ژن را در سلول دیگر فعال یا غیرفعال کند. دنیای فیزیک. این تیم همچنین امیدوار است «از نانولوله‌ها برای کنترل انتقال مولکول‌های سیگنال‌دهنده یا مواد درمانی به سلول‌های پستانداران، چه برای مطالعه رفتارهای سیگنال‌دهی سلولی و چه برای توسعه یک استراتژی تحویل دارو، استفاده کند».
