Syntetiske celler, konstruert for å etterligne noen av funksjonene som utføres av levende celler, holder løfte for anvendelser innen bioteknologi og medisin. Selv de minste biologiske cellene er imidlertid ekstremt komplekse, og konstruksjonen av levende kunstige celler står overfor mange veisperringer. Forskere i Schulman Lab ved Johns Hopkins University har nylig gjort fremskritt mot en av disse utfordringene: utveksling av materie og informasjon på tvers av cellegrenser.
Skriver inn Vitenskap Fremskritt, forskerne – jobber i samarbeid med Aksimentiev-gruppen ved University of Illinois Urbana-Champaign – demonstrer lekkasjefri transport av små molekyler gjennom konstruerte DNA-nanokanaler over enestående avstander. I fremtiden kan arbeidet deres hjelpe til med konstruksjonen av kunstige celler, og også hjelpe studiet og manipulasjonen av levende vev.
Celler i flercellede organismer trenger å utveksle materie og kommunisere for å sikre deres kollektive overlevelse. Siden hver celle er omgitt av en lipidmembran som er ugjennomtrengelig for mange biologiske molekyler, har evolusjonen produsert mekanismer som gjør at denne barrieren kan krysses. Signalerende reseptorer, transportører og porer videresender informasjon og tillater passasje av molekyler mellom celler og deres ytre, mens cellekontakter som gap-junctions direkte forbinder det indre av naboceller og muliggjør celle-til-celle-diffusjon av små molekyler.
For å etterligne disse prosessene i kunstige systemer, "har forskere utviklet syntetiske celler plassert ved siden av hverandre som kan kommunisere gjennom proteinporer på membranene deres" forklarer førsteforfatter Yi Li, som ledet studien. "Men det er fortsatt en utfordring å utvikle syntetiske cellesystemer der celler kan kommunisere og utveksle materialer over lengre avstander."
Proteinstrukturene som letter celle-til-celle-kommunikasjon i biologi er bygget "nedenfra og opp" fra aminosyrer - informasjonen som er kodet i sekvensen deres, oversettes til en struktur. Et annet biologisk makromolekyl, DNA, brukes hovedsakelig til informasjonslagring i celler; men på grunn av den enkle syntesen og potensialet til å danne strukturer på høyt nivå, har feltet DNA-nanoteknologi gått langt utover sitt første proof-of-concept for rundt 30 år siden. Forskere har siden satt sammen stadig mer sofistikerte 2D- og 3D-strukturer fra DNA, inkludert gitter, rør, geometriske kropper og til og med kunstneriske gjengivelser av smilefjes, i forsøk referert til som DNA-origami.
I sin studie kombinerte Schulman Lab-forskerne DNA-origami-nanoporer, som bygger bro over membranene til cellelignende vesikler og skaper små åpninger for molekyler å krysse, med konstruerte selvmonterende DNA-nanorør. Ved å kvantifisere fluksen til et fargestoffmolekyl inn i vesiklene, viste de at korte nanoporer gjorde membranen permeabel for fargestoffet. De validerte også at hastigheten på denne transporten er i samsvar med diffusjon og fant at en spesialdesignet DNA-hette kan blokkere porene og stoppe fargestoffet fra å komme inn.
Teamet utvidet deretter dette arbeidet til DNA-nanorør med en medianlengde på 700 nm og maksimalt over 2 µm. Igjen viste eksperimenter at fargestofftilstrømningen økes i nærvær av DNA-konstruksjonene, og at hetten kan stoppe gjennomtrengning. Implikasjonen, sier Li, er at "små molekyler kan passere gjennom rørene uten lekkasjer, og vi forventer at store molekyler, som proteiner, også kan transporteres gjennom disse nanorørene".
Medlemmer av Aksimentiev-gruppen gjennomførte Brownske dynamikk-datasimuleringer av nanopore-fargestoffsystemet. Disse illustrerte at for molekyler under en terskelstørrelse dominerte lekkasje gjennom sideveggen til DNA-røret tilstrømningen, mens for større molekyler blir ende-til-ende diffusjon den foretrukne mekanismen.
Li forklarer at slike simuleringer er komplementære med eksperimenter på to måter. "De kan brukes som designverktøy for å hjelpe forskere med å designe nanoskalastrukturer som har spesifikke funksjoner", sier han, for eksempel ved å "simulere selvmonteringskinetikken til våre DNA-nanostrukturer", men de hjelper også til å "validere eksperimentelle resultater og gi ytterligere innsikt i de fysiske prosessene».
Gjør-det-selv DNA-design
Rebecca Schulman – som ledet forskningen – trekker en analogi til rør. "Denne studien antyder veldig sterkt at det er mulig å bygge nanorør som ikke lekker ved å bruke disse enkle teknikkene for selvmontering, der vi blander molekyler i en løsning og bare lar dem danne den strukturen vi ønsker. I vårt tilfelle kan vi også feste disse rørene til forskjellige endepunkter for å danne noe som rørleggerarbeid."
Laboratoriet har ambisiøse planer for bruk av disse nanorørene. "Fremtidig utvikling inkluderer å koble to eller flere kunstige celler med våre DNA-nanorør og vise molekylær transport blant dem. Vi kan potensielt vise [at] transport av signalmolekyler fra en celle kan aktivere/deaktivere genuttrykket i en annen celle, sier Li. Fysikkens verden. Teamet håper også å "bruke nanorør for å kontrollere leveringen av signalmolekyler eller terapeutiske midler til pattedyrceller, enten for å studere cellesignalatferd eller for å utvikle en strategi for medikamentlevering".
