Op de kruising van levende en niet-levende materie is het nog steeds een probleem om de spontane bottom-up constructie van kunstmatige cellen met een hoge organisatorische complexiteit en gediversifieerde functies te verbeteren. Om deze uitdaging aan te gaan, hebben wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Bristol een synthetische cellen, bekend als protocellen, met behulp van viskeuze microdruppeltjes gevuld met levende bacteriën als microscopische bouwplaats.
Om deze geavanceerde synthetische cellen te bouwen, die de functionaliteit in het echte leven nabootsen, hebben wetenschappers het potentieel van bacteriën benut. Ze stelden de lege druppeltjes bloot aan twee soorten bacteriën: de ene populatie werd spontaan gevangen in de druppeltjes, terwijl de andere op het druppeloppervlak werd gevangen.
Vervolgens vernietigden ze beide soorten bacteriën. Het veroorzaakt de afgifte van cellulaire componenten die gevangen blijven in of op het oppervlak van de druppeltjes om membraangecoate bacteriogene protocellen te produceren die duizenden biologische moleculen, onderdelen en machines bevatten.
Het feit dat de protocellen konden genereren RNA en eiwitten door in vitro genexpressie en energierijke moleculen (ATP) via glycolyse suggereerden dat de overgeërfde bacteriële componenten in de synthetische cellen bleven bestaan.
Om de capaciteit van deze techniek te testen, gebruikten wetenschappers een reeks chemische stappen om de bacteriogene protocellen structureel en morfologisch te hermodelleren. Het inwendige van de druppel was gevuld met een cytoskeletachtig netwerk van eiwitfilamenten en membraangebonden watervacuolen. De vrijgekomen bacterie DNA werd samengeperst tot een enkele structuur die op een kern leek.
Vervolgens implanteerden wetenschappers levende bacteriën in de protocellen om zelfvoorzienende ATP-productie en langdurige energie voor glycolyse, genexpressie en cytoskeletassemblage te genereren. Vreemd genoeg ontwikkelden de protolerende constructies een uiterlijk dat leek op een amoebe vanwege lokale bacteriële groei en metabolisme, waardoor een cellulair bionisch systeem ontstond met geïntegreerde levensechte kenmerken.
Corresponderende auteur Professor Stephen Mann zei: "Het bereiken van een hoge organisatorische en functionele complexiteit in synthetische cellen is moeilijk, vooral onder bijna-evenwichtsomstandigheden. Hopelijk zal onze huidige bacteriogene benadering helpen om de complexiteit van de huidige protocelmodellen te vergroten, de integratie van talloze biologische componenten te vergemakkelijken en de ontwikkeling van geactiveerde cytomimetische systemen mogelijk te maken."
De eerste auteur Dr. Can Xu, Research Associate aan de Universiteit van Bristol, toegevoegd: "Onze benadering van het assembleren van levend materiaal biedt een kans voor de bottom-up constructie van symbiotische levende / synthetische celconstructies. Met behulp van gemanipuleerde bacteriën moet het bijvoorbeeld mogelijk zijn om complexe modules te fabriceren voor ontwikkeling in diagnostische en therapeutische gebieden van synthetische biologie, bioproductie en biotechnologie in het algemeen.
Journal Reference:
- Xu, C., Martin, N., Li, M. et al. Levend materiaal assemblage van bacteriogene protocellen. NATUUR (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05223-w
