Komórki syntetyczne, zaprojektowane tak, aby naśladować niektóre funkcje pełnione przez żywe komórki, mogą znaleźć zastosowanie w biotechnologii i medycynie. Jednak nawet najmniejsze komórki biologiczne są niezwykle złożone, a konstrukcja żywych sztucznych komórek napotyka wiele przeszkód. Naukowcy z Laboratorium Schulmana na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa poczynili ostatnio postępy w realizacji jednego z tych wyzwań: wymiany materii i informacji przez granice komórek.
Pisanie w Postępy nauki, badacze – współpracujący z Grupa Aksimentiewa na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign – zademonstrować pozbawiony wycieków transport małych cząsteczek przez zaprojektowane nanokanały DNA na niespotykane dotąd odległości. W przyszłości ich prace mogą pomóc w budowie sztucznych komórek, a także w badaniu i manipulowaniu żywą tkanką.
Komórki organizmów wielokomórkowych muszą wymieniać materię i komunikować się, aby zapewnić sobie zbiorowe przetrwanie. Ponieważ każda komórka jest otoczona błoną lipidową nieprzeniknioną dla wielu cząsteczek biologicznych, ewolucja wytworzyła mechanizmy umożliwiające pokonanie tej bariery. Receptory sygnalizacyjne, transportery i pory przekazują informacje i umożliwiają przejście cząsteczek między komórkami na zewnątrz, podczas gdy kontakty komórkowe, takie jak połączenia szczelinowe, bezpośrednio łączą wnętrze sąsiednich komórek i umożliwiają dyfuzję małych cząsteczek między komórkami.
Aby naśladować te procesy w sztucznych systemach, „naukowcy opracowali syntetyczne komórki umieszczone obok siebie, które mogą komunikować się poprzez pory białkowe w swoich błonach” – wyjaśnia pierwsza autorka Yi Li, która współprowadziła badanie. „Jednak opracowanie syntetycznych systemów komórkowych, w których komórki mogą komunikować się i wymieniać materiały na większe odległości, nadal stanowi wyzwanie”.
Struktury białkowe ułatwiające komunikację między komórkami w biologii budowane są „od dołu” z aminokwasów – informacja zakodowana w ich sekwencji przekłada się na strukturę. Inna biologiczna makrocząsteczka, DNA, służy głównie do przechowywania informacji w komórkach; jednak ze względu na łatwość syntezy i potencjał tworzenia struktur wysokiego poziomu dziedzina nanotechnologii DNA wyszła daleko poza swój pierwszy dowód koncepcji sprzed około 30 lat. Od tego czasu naukowcy składali z DNA coraz bardziej wyrafinowane struktury 2D i 3D, w tym siatki, rurki, ciała geometryczne, a nawet artystyczne wizualizacje uśmiechniętych buźek, w ramach wysiłków określanych jako origami DNA.
W swoich badaniach badacze z laboratorium Schulman Lab połączyli nanopory DNA origami, które łączą błony pęcherzyków komórkowych i tworzą małe otwory umożliwiające przejście cząsteczek, z samoorganizującymi się nanorurkami DNA. Określając ilościowo strumień cząsteczki barwnika do pęcherzyków, wykazano, że krótkie nanopory sprawiają, że membrana staje się przepuszczalna dla barwnika. Potwierdzili również, że prędkość tego transportu jest zgodna z dyfuzją i odkryli, że specjalnie zaprojektowana czapeczka DNA może blokować pory i uniemożliwiać przedostawanie się barwnika.
Następnie zespół rozszerzył swoje prace na nanorurki DNA o średniej długości 700 nm i maksymalnej ponad 2 µm. Ponownie eksperymenty wykazały, że napływ barwnika jest zwiększony w obecności konstruktów DNA i że czapeczka może zatrzymać przenikanie. Konsekwencją tego, mówi Li, jest to, że „małe cząsteczki mogą przechodzić przez rurki bez wycieków i spodziewamy się, że duże cząsteczki, takie jak białka, mogą być również transportowane przez te nanorurki”.
Członkowie Grupy Aksimentiev przeprowadzili symulacje komputerowe dynamiki Browna układu nanopor – barwnik. Pokazują one, że w przypadku cząsteczek poniżej wielkości progowej napływ dominuje wyciek przez boczną ściankę rurki DNA, podczas gdy w przypadku większych cząsteczek preferowanym mechanizmem staje się dyfuzja od końca do końca.
Li wyjaśnia, że takie symulacje uzupełniają eksperymenty na dwa sposoby. „Można je wykorzystać jako narzędzia projektowe, które pomogą badaczom projektować struktury w nanoskali o określonych funkcjach”, mówi, na przykład poprzez „symulację kinetyki samoorganizacji naszych nanostruktur DNA”, ale pomagają także „walidować wyniki eksperymentów i dostarczać dodatkowy wgląd w procesy fizyczne”.
Zrób to sam projekt DNA
Rebecca Schulman – która współprowadziła badania – dokonuje analogii do fajek. „To badanie bardzo wyraźnie sugeruje, że możliwe jest zbudowanie szczelnych nanorurek przy użyciu prostych technik samoorganizacji, podczas których mieszamy cząsteczki w roztworze i po prostu pozwalamy im uformować pożądaną strukturę. W naszym przypadku możemy również przymocować te rury do różnych punktów końcowych, tworząc coś w rodzaju instalacji wodno-kanalizacyjnej.
Laboratorium ma ambitne plany zastosowania tych nanorurek. „Przyszłe osiągnięcia obejmują połączenie dwóch lub więcej sztucznych komórek z naszymi nanorurkami DNA i wykazanie transportu molekularnego między nimi. Możemy potencjalnie wykazać, że transport cząsteczek sygnalizacyjnych z jednej komórki może aktywować/dezaktywować ekspresję genów w innej komórce” – mówi Li Świat Fizyki. Zespół ma także nadzieję „wykorzystać nanorurki do kontrolowania dostarczania cząsteczek sygnalizacyjnych lub środków terapeutycznych do komórek ssaków, aby zbadać zachowania sygnalizacyjne komórek lub opracować strategię dostarczania leków”.
