Le cellule sintetiche, progettate per imitare alcune delle funzioni svolte dalle cellule viventi, sono promettenti per applicazioni nel campo della biotecnologia e della medicina. Anche le cellule biologiche più piccole, tuttavia, sono estremamente complesse e la costruzione di cellule artificiali viventi deve affrontare numerosi ostacoli. I ricercatori del Laboratorio Schulmann della Johns Hopkins University hanno recentemente compiuto progressi verso una di queste sfide: lo scambio di materia e informazioni attraverso i confini cellulari.
Scrivere dentro Anticipi Scienza, i ricercatori – lavorando in collaborazione con il Gruppo Aksimentiev presso l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign – dimostrano il trasporto senza perdite di piccole molecole attraverso nanocanali di DNA ingegnerizzati su distanze senza precedenti. In futuro, il loro lavoro potrebbe aiutare nella costruzione di cellule artificiali e anche aiutare lo studio e la manipolazione dei tessuti viventi.
Le cellule all’interno degli organismi multicellulari hanno bisogno di scambiare materia e comunicare per garantire la loro sopravvivenza collettiva. Poiché ogni cellula è circondata da una membrana lipidica impenetrabile a molte molecole biologiche, l’evoluzione ha prodotto meccanismi attraverso i quali questa barriera può essere attraversata. Recettori di segnalazione, trasportatori e pori trasmettono informazioni e consentono il passaggio di molecole tra le cellule e il loro esterno, mentre i contatti cellulari come le giunzioni comunicanti collegano direttamente l'interno delle cellule vicine e consentono la diffusione da cellula a cellula di piccole molecole.
Per imitare questi processi nei sistemi artificiali, "i ricercatori hanno sviluppato cellule sintetiche posizionate una accanto all'altra che possono comunicare attraverso i pori proteici sulle loro membrane", spiega il primo autore Yi Li, che ha co-condotto lo studio. “Tuttavia, lo sviluppo di sistemi cellulari sintetici in cui le cellule possano comunicare e scambiare materiali su distanze maggiori è ancora una sfida”.
Le strutture proteiche che facilitano la comunicazione cellula-cellula in biologia sono costruite “dal basso verso l’alto” a partire dagli amminoacidi: l’informazione codificata nella loro sequenza si traduce in una struttura. Un'altra macromolecola biologica, il DNA, viene utilizzata principalmente per l'immagazzinamento di informazioni nelle cellule; ma grazie alla sua facilità di sintesi e al potenziale di formare strutture di alto livello, il campo della nanotecnologia del DNA è andato ben oltre la sua prima prova di concetto circa 30 anni fa. Da allora gli scienziati hanno assemblato strutture 2D e 3D sempre più sofisticate dal DNA, inclusi reticoli, tubi, corpi geometrici e persino rappresentazioni artistiche di faccine sorridenti, in sforzi chiamati origami del DNA.
Nel loro studio, i ricercatori dello Schulman Lab hanno combinato nanopori di DNA origami, che collegano le membrane di vescicole simili a cellule e creano piccole aperture per l'attraversamento delle molecole, con nanotubi di DNA autoassemblanti ingegnerizzati. Quantificando il flusso di una molecola di colorante nelle vescicole, hanno dimostrato che i nanopori corti rendevano la membrana permeabile al colorante. Hanno inoltre verificato che la velocità di questo trasporto è coerente con la diffusione e hanno scoperto che un cappuccio del DNA appositamente progettato può bloccare i pori e impedire l’ingresso del colorante.
Il team ha poi esteso questo lavoro ai nanotubi di DNA con una lunghezza media di 700 nm e una massima di oltre 2 µm. Ancora una volta, gli esperimenti hanno dimostrato che l'afflusso del colorante è potenziato in presenza dei costrutti del DNA e che il cappuccio può arrestare la permeazione. L’implicazione, dice Li, è che “le piccole molecole possono passare attraverso i tubi senza perdite, e ci aspettiamo che anche le grandi molecole, come le proteine, possano essere trasportate attraverso questi nanotubi”.
I membri del gruppo Aksimentiev hanno condotto simulazioni computerizzate della dinamica browniana del sistema nanoporo-colorante. Questi hanno dimostrato che per le molecole al di sotto di una dimensione soglia, la perdita attraverso la parete laterale del tubo del DNA domina l’afflusso, mentre per le molecole più grandi, la diffusione end-to-end diventa il meccanismo preferito.
Li spiega che tali simulazioni sono complementari agli esperimenti in due modi. “Possono essere usati come strumenti di progettazione per aiutare i ricercatori a progettare strutture su scala nanometrica che hanno funzioni specifiche”, dice, ad esempio “simulando la cinetica di autoassemblaggio delle nostre nanostrutture di DNA”, ma aiutano anche a “convalidare i risultati sperimentali e fornire ulteriori approfondimenti sui processi fisici”.
Progettazione del DNA fai da te
Rebecca Schulman – che ha co-diretto la ricerca – traccia un’analogia con le pipe. “Questo studio suggerisce con forza che è fattibile costruire nanotubi che non perdano utilizzando queste semplici tecniche di autoassemblaggio, in cui mescoliamo le molecole in una soluzione e lasciamo che formino la struttura che vogliamo. Nel nostro caso, possiamo anche collegare questi tubi a diversi punti finali per formare qualcosa di simile a un impianto idraulico”.
Il laboratorio ha piani ambiziosi per l'applicazione di questi nanotubi. “Gli sviluppi futuri includono il collegamento di due o più cellule artificiali con i nostri nanotubi di DNA e la visualizzazione del trasporto molecolare tra di loro. Possiamo potenzialmente dimostrare [che] il trasporto di molecole di segnalazione da una cellula può attivare/disattivare l’espressione genica in un’altra cellula”, dice Li Mondo della fisica. Il team spera inoltre di “utilizzare i nanotubi per controllare la consegna di molecole di segnalazione o di sostanze terapeutiche alle cellule dei mammiferi, sia per studiare i comportamenti di segnalazione cellulare sia per sviluppare una strategia di somministrazione di farmaci”.
