A szintetikus sejtek, amelyeket úgy terveztek, hogy utánozzák az élő sejtek bizonyos funkcióit, ígéretesek a biotechnológia és az orvostudomány területén. Még a legkisebb biológiai sejtek is rendkívül összetettek, és az élő mesterséges sejtek felépítése számos akadályba ütközik. A kutatók a Schulman Lab A Johns Hopkins Egyetemen a közelmúltban haladást értek el ezen kihívások egyike felé: az anyag- és információcsere a sejthatárokon át.
Írás Tudomány előlegek, a kutatók – együttműködve a Aksimentiev csoport az Illinois Urbana-Champaign Egyetemen – mutatják be a kis molekulák szivárgásmentes szállítását, mesterséges DNS-nanocsatornákon keresztül, példátlan távolságokon keresztül. Munkájuk a jövőben segíthet a mesterséges sejtek felépítésében, valamint az élő szövetek tanulmányozásában és manipulálásában.
A többsejtű szervezetekben lévő sejteknek anyagcserét és kommunikációt kell folytatniuk, hogy biztosítsák kollektív túlélésüket. Mivel minden sejtet egy lipidmembrán vesz körül, amely számos biológiai molekula számára áthatolhatatlan, az evolúció olyan mechanizmusokat hozott létre, amelyekkel áthaladhat ezen a korláton. A jelzőreceptorok, transzporterek és pórusok továbbítják az információkat, és lehetővé teszik a molekulák áthaladását a sejtek és azok külseje között, míg a sejtkontaktusok, például a réskapcsolatok közvetlenül összekötik a szomszédos sejtek belsejét, és lehetővé teszik a kis molekulák sejt-sejt diffúzióját.
E folyamatok mesterséges rendszerekben történő utánzására „a kutatók szintetikus sejteket fejlesztettek ki egymás mellett, amelyek képesek kommunikálni a membránjukon lévő fehérjepórusokon keresztül” – magyarázza az első szerző, Yi Li, a tanulmány társvezetője. "Azonban továbbra is kihívást jelent olyan szintetikus sejtrendszerek kifejlesztése, amelyekben a sejtek képesek kommunikálni és anyagokat cserélni nagyobb távolságokon."
A biológiában a sejt-sejt kommunikációt elősegítő fehérjestruktúrák „alulról felfelé” épülnek fel aminosavakból – a szekvenciájukban kódolt információ szerkezetté alakul át. Egy másik biológiai makromolekulát, a DNS-t főleg a sejtekben történő információtárolásra használják; Könnyű szintézisének és magas szintű struktúrák kialakításának lehetőségének köszönhetően a DNS-nanotechnológia területe azonban messze túlmutat a mintegy 30 évvel ezelőtti első koncepcióján. A tudósok azóta egyre kifinomultabb 2D-s és 3D-s struktúrákat állítottak össze DNS-ből, beleértve a rácsokat, csöveket, geometriai testeket és még a mosolygó arcok művészi megjelenítését is, DNS-origamiként emlegetve.
Tanulmányukban a Schulman Lab kutatói a sejtszerű vezikulák membránjait áthidaló DNS origami nanopórusokat, és kis nyílásokat hoznak létre a molekulák számára, hogy áthaladhassanak, mesterségesen összeálló DNS nanocsövekkel. Egy festékmolekula vezikulákba való áramlásának mennyiségi meghatározásával kimutatták, hogy a rövid nanopórusok a membránt áteresztővé tették a festék számára. Azt is igazolták, hogy ennek a transzportnak a sebessége összhangban van a diffúzióval, és megállapították, hogy egy speciálisan kialakított DNS-sapka elzárhatja a pórusokat, és megakadályozhatja a festék bejutását.
A csapat ezt követően kiterjesztette ezt a munkát a 700 nm medián hosszúságú és legfeljebb 2 µm-nél nagyobb DNS nanocsövekre. A kísérletek ismét azt mutatták, hogy a festék beáramlása fokozódik a DNS-konstrukciók jelenlétében, és hogy a kupak megállíthatja a permeációt. Li szerint a következmény az, hogy „a kis molekulák szivárgás nélkül áthaladhatnak a csövekben, és arra számítunk, hogy nagy molekulák, például fehérjék is szállíthatók ezeken a nanocsöveken”.
Az Aksimentiev csoport tagjai Brown-dinamikai számítógépes szimulációkat végeztek a nanopórus-festék rendszeren. Ezek azt mutatják, hogy a küszöbméret alatti molekulák esetében a DNS-cső oldalfalán keresztül történő szivárgás dominált, míg a nagyobb molekuláknál a végponttól végpontig terjedő diffúzió válik az előnyben részesített mechanizmussá.
Li elmagyarázza, hogy az ilyen szimulációk két szempontból is kiegészítik a kísérleteket. „Használhatók tervezési eszközökként, hogy segítsék a kutatókat olyan nanoméretű struktúrák tervezésében, amelyeknek meghatározott funkciójuk van” – mondja, például „a DNS-nanoszerkezeteink önszerveződési kinetikáját szimulálva”, de segítenek „a kísérleti eredmények validálásában és további betekintést a fizikai folyamatokba”.
Csináld magad DNS-tervezés
Rebecca Schulman – aki a kutatás társvezetője volt – hasonlatot von a csövekre. „Ez a tanulmány nagyon határozottan azt sugallja, hogy megvalósítható olyan nanocsövek építése, amelyek nem szivárognak, ezeknek az egyszerű önszerelődési technikáknak a segítségével, ahol a molekulákat összekeverjük az oldatban, és hagyjuk, hogy a kívánt szerkezetet alakítsák ki. A mi esetünkben ezeket a csöveket különböző végpontokhoz is rögzíthetjük, hogy valami vízvezetékhez hasonlót alakítsunk ki.”
A laboratóriumnak ambiciózus tervei vannak ezeknek a nanocsöveknek az alkalmazására. „A jövőbeli fejlesztések közé tartozik két vagy több mesterséges sejt összekapcsolása DNS-nanocsövekkel, és molekuláris transzport kimutatása közöttük. Potenciálisan megmutathatjuk, hogy a jelátviteli molekulák egyik sejtből történő szállítása aktiválhatja/deaktiválhatja a génexpressziót egy másik sejtben” – mondja Li. Fizika Világa. A csapat azt is reméli, hogy "nanocsöveket használnak a jelzőmolekulák vagy terápiás anyagok emlőssejtekbe való eljuttatásának szabályozására, akár a sejtek jelátviteli viselkedésének tanulmányozására, akár gyógyszerszállítási stratégia kidolgozására".
