תאים סינתטיים, שהונדסו כדי לחקות חלק מהפונקציות המבוצעות על ידי תאים חיים, מבטיחים יישומים בביוטכנולוגיה וברפואה. עם זאת, אפילו התאים הביולוגיים הקטנים ביותר הם מורכבים ביותר ובניית תאים מלאכותיים חיים עומדת בפני מחסומים רבים. חוקרים ב- מעבדת שולמן באוניברסיטת ג'ונס הופקינס התקדמו לאחרונה לעבר אחד מהאתגרים הללו: חילופי חומר ומידע על פני גבולות התא.
כותב ב התקדמות מדע, החוקרים - עובדים בשיתוף פעולה עם ה קבוצת אקסימנטיב באוניברסיטת אילינוי Urbana-Champaign - הדגימו הובלה ללא דליפות של מולקולות קטנות דרך ננו-תעלות DNA מהונדסים על פני מרחקים חסרי תקדים. בעתיד, עבודתם עשויה לסייע בבניית תאים מלאכותיים, וגם לסייע במחקר ובמניפולציה של רקמות חיות.
תאים בתוך אורגניזמים רב-תאיים צריכים להחליף חומר ולתקשר כדי להבטיח את הישרדותם הקולקטיבית. מכיוון שכל תא מוקף בקרום שומני שאינו חדיר למולקולות ביולוגיות רבות, האבולוציה ייצרה מנגנונים שבאמצעותם ניתן לחצות את המחסום הזה. קולטני איתות, טרנספורטרים ונקבוביות מעבירים מידע ומאפשרים מעבר של מולקולות בין תאים והחלק החיצוני שלהם, בעוד שמגעי תאים כמו חיבורי פער מחברים ישירות את פנים התאים השכנים ומאפשרים דיפוזיה של מולקולות קטנות בין תאים לתא.
כדי לחקות תהליכים אלה במערכות מלאכותיות, "חוקרים פיתחו תאים סינתטיים הממוקמים זה ליד זה שיכולים לתקשר דרך נקבוביות חלבון על הממברנות שלהם", מסביר המחבר הראשון יי לי, שהיה שותף להובלת המחקר. "עם זאת, פיתוח מערכות תאים סינתטיות שבהן תאים יכולים לתקשר ולהחליף חומרים למרחקים ארוכים יותר הוא עדיין אתגר."
מבני החלבון המקלים על תקשורת תא לתא בביולוגיה בנויים "מלמטה למעלה" מחומצות אמינו - המידע המקודד ברצף שלהן מתורגם למבנה. מקרומולקולה ביולוגית נוספת, DNA, משמשת בעיקר לאחסון מידע בתאים; אך בשל קלות הסינתזה והפוטנציאל שלו ליצור מבנים ברמה גבוהה, תחום הננוטכנולוגיה של ה-DNA חרג הרבה מעבר להוכחה הראשונה שלו לפני כ-30 שנה. מאז הרכיבו מדענים מבנים דו-ממדיים ותלת-ממדיים מתוחכמים יותר מ-DNA, כולל סריג, צינורות, גופים גיאומטריים ואפילו עיבודים אמנותיים של פרצופים סמייליים, במאמצים המכונים אוריגמי DNA.
במחקרם, שילבו חוקרי מעבדת שולמן את ננו-נקבוביות ה-DNA אוריגמי, המגשרות בין ממברנות שלפוחיות דמויות תאים ויוצרות פתחים קטנים למעבר מולקולות, עם ננו-צינוריות DNA מהונדסים. על ידי כימת השטף של מולקולת צבע לתוך השלפוחיות, הם הראו שננו-נקביות קצרות הפכו את הממברנה לחדירת לצבע. הם גם אימתו שמהירות ההובלה הזו עולה בקנה אחד עם הדיפוזיה ומצאו שמכסה DNA שתוכנן במיוחד יכול לחסום את הנקבוביות ולעצור את כניסת הצבע.
לאחר מכן, הצוות הרחיב את העבודה הזו לננו-צינורות DNA באורך חציוני של 700 ננומטר ומקסימום של מעל 2 מיקרומטר. שוב, ניסויים הראו שזרימת הצבע מוגברת בנוכחות מבני ה-DNA, ושהמכסה יכול לעצור את החדירה. המשמעות, אומר לי, היא ש"מולקולות קטנות יכולות לעבור דרך הצינורות ללא דליפות, ואנו מצפים שמולקולות גדולות, כמו חלבונים, יוכלו לעבור גם דרך הננו-צינורות הללו".
חברי קבוצת Aksimentiev ערכו הדמיות ממוחשבות של דינמיקה בראונית של מערכת צבעי ננו-פוריים. אלה המחישו כי עבור מולקולות מתחת לגודל סף, דליפה דרך הדופן הצדדית של צינור ה-DNA שלטה בזרימה, בעוד שלמולקולות גדולות יותר, דיפוזיה מקצה לקצה הופכת למנגנון המועדף.
לי מסביר שסימולציות כאלה משלימות לניסויים בשתי דרכים. "הם יכולים לשמש ככלי עיצוב כדי לעזור לחוקרים לתכנן מבנים ננומטריים שיש להם פונקציות ספציפיות", הוא אומר, למשל על ידי "הדמיית קינטיקה של הרכבה עצמית של ננו-מבני ה-DNA שלנו", אבל הם גם עוזרים "לאמת את תוצאות הניסוי ולספק תובנות נוספות לגבי התהליכים הפיזיים".
עיצוב DNA בשיטת עשה זאת בעצמך
רבקה שולמן - שהובילה את המחקר - משיגה אנלוגיה לצינורות. "המחקר הזה מרמז מאוד שאפשר לבנות ננו-צינורות שלא דולפים באמצעות הטכניקות הקלות האלה להרכבה עצמית, שבה אנחנו מערבבים מולקולות בתמיסה ופשוט נותנים להן ליצור את המבנה שאנחנו רוצים. במקרה שלנו, אנחנו יכולים גם לחבר את הצינורות האלה לנקודות קצה שונות כדי ליצור משהו כמו אינסטלציה."
למעבדה יש תוכניות שאפתניות ליישום הננו-צינורות הללו. "התפתחויות עתידיות כוללות חיבור של שני תאים מלאכותיים או יותר עם ננו-צינורות ה-DNA שלנו והצגת תחבורה מולקולרית ביניהם. אנו יכולים להראות [ש] ההובלה של מולקולות איתות מתא אחד יכולה להפעיל/לבטל את ביטוי הגנים בתא אחר", אומר לי. עולם הפיזיקה. הצוות גם מקווה "להשתמש בננו-צינורות כדי לשלוט בהעברת מולקולות איתות או תרופות טיפוליות לתאי יונקים, או כדי לחקור התנהגויות איתות של תאים או כדי לפתח אסטרטגיית העברת תרופות".
