เซลล์สังเคราะห์ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อเลียนแบบการทำงานบางอย่างโดยเซลล์ที่มีชีวิต ถือเป็นคำมั่นสัญญาในการประยุกต์ในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและการแพทย์ อย่างไรก็ตาม แม้แต่เซลล์ชีวภาพที่เล็กที่สุดก็ยังมีความซับซ้อนอย่างมาก และการสร้างเซลล์เทียมที่มีชีวิตก็ต้องเผชิญกับอุปสรรคมากมาย นักวิจัยใน ชุลมานแล็บ ที่มหาวิทยาลัย Johns Hopkins ได้ก้าวหน้าไปสู่หนึ่งในความท้าทายเหล่านี้: การแลกเปลี่ยนสสารและข้อมูลข้ามขอบเขตของเซลล์
เขียนเข้า วิทยาศาสตร์ก้าวหน้านักวิจัย – ทำงานร่วมกับ กลุ่ม Aksimentiev ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ Urbana-Champaign - สาธิตการขนส่งโมเลกุลขนาดเล็กโดยไม่มีการรั่วซึมผ่านช่องนาโนดีเอ็นเอที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมในระยะทางที่ไม่เคยมีมาก่อน ในอนาคต งานของพวกเขาอาจช่วยในการสร้างเซลล์เทียม และยังช่วยในการศึกษาและจัดการเนื้อเยื่อที่มีชีวิตอีกด้วย
เซลล์ภายในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์จำเป็นต้องแลกเปลี่ยนสสารและสื่อสารเพื่อให้แน่ใจว่าพวกมันจะอยู่รอดร่วมกัน เนื่องจากแต่ละเซลล์ถูกล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มไขมันซึ่งโมเลกุลทางชีววิทยาหลายชนิดไม่สามารถทะลุผ่านได้ วิวัฒนาการจึงสร้างกลไกที่ทำให้สิ่งกีดขวางนี้สามารถทะลุผ่านได้ ตัวรับส่งสัญญาณ ตัวขนส่ง และรูพรุนจะถ่ายทอดข้อมูลและยอมให้โมเลกุลผ่านระหว่างเซลล์และภายนอกได้ ในขณะที่หน้าสัมผัสของเซลล์ เช่น ทางแยกช่องว่างจะเชื่อมต่อโดยตรงภายในเซลล์ข้างเคียง และทำให้เกิดการแพร่กระจายของเซลล์สู่เซลล์ของโมเลกุลขนาดเล็ก
เพื่อเลียนแบบกระบวนการเหล่านี้ในระบบประดิษฐ์ "นักวิจัยได้พัฒนาเซลล์สังเคราะห์ที่วางติดกันซึ่งสามารถสื่อสารผ่านรูโปรตีนบนเยื่อหุ้มเซลล์ได้" ผู้เขียนคนแรก Yi Li ผู้ร่วมเป็นผู้นำการศึกษาอธิบาย “อย่างไรก็ตาม การพัฒนาระบบเซลล์สังเคราะห์ที่เซลล์สามารถสื่อสารและแลกเปลี่ยนวัสดุในระยะทางที่ไกลกว่านั้นยังคงเป็นความท้าทาย”
โครงสร้างโปรตีนที่อำนวยความสะดวกในการสื่อสารระหว่างเซลล์ในชีววิทยาถูกสร้างขึ้นจากกรดอะมิโน "จากล่างขึ้นบน" ซึ่งข้อมูลที่เข้ารหัสตามลำดับจะแปลเป็นโครงสร้าง โมเลกุลขนาดใหญ่ทางชีววิทยาอีกชนิดหนึ่งคือ DNA ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อจัดเก็บข้อมูลในเซลล์ แต่เนื่องจากความง่ายในการสังเคราะห์และมีศักยภาพในการสร้างโครงสร้างระดับสูง สาขานาโนเทคโนโลยี DNA จึงก้าวไปไกลเกินกว่าการพิสูจน์แนวคิดครั้งแรกเมื่อประมาณ 30 ปีที่แล้ว นับตั้งแต่นั้นมา นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมโครงสร้าง 2D และ 3D ที่ซับซ้อนมากขึ้นจาก DNA ซึ่งรวมถึงโครงตาข่าย หลอด รูปร่างทางเรขาคณิต และแม้กระทั่งการแสดงใบหน้ายิ้มอย่างมีศิลปะ ในความพยายามที่เรียกว่า DNA origami
ในการศึกษาของพวกเขา นักวิจัยของ Schulman Lab ได้รวม DNA origami nanopores ซึ่งเชื่อมเยื่อหุ้มของถุงคล้ายเซลล์และสร้างช่องเปิดเล็ก ๆ เพื่อให้โมเลกุลสามารถข้ามได้ ด้วยท่อนาโน DNA ที่ประกอบตัวเองทางวิศวกรรม ด้วยการหาปริมาณฟลักซ์ของโมเลกุลของสีย้อมลงในถุง พวกเขาแสดงให้เห็นว่านาโนพอร์ขนาดสั้นทำให้เมมเบรนซึมผ่านไปยังสีย้อมได้ พวกเขายังตรวจสอบด้วยว่าความเร็วของการขนส่งนี้สอดคล้องกับการแพร่กระจาย และพบว่าฝาครอบ DNA ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสามารถปิดกั้นรูขุมขนและป้องกันไม่ให้สีย้อมเข้าไปได้
จากนั้นทีมงานได้ขยายงานนี้ไปยังท่อนาโน DNA ที่มีความยาวมัธยฐาน 700 นาโนเมตรและสูงสุดมากกว่า 2 ไมโครเมตร การทดลองอีกครั้งแสดงให้เห็นว่าการไหลเข้าของสีย้อมจะเพิ่มขึ้นเมื่อมีโครงสร้าง DNA และฝาปิดสามารถยับยั้งการซึมผ่านได้ Li กล่าวโดยนัยคือ "โมเลกุลขนาดเล็กสามารถผ่านท่อได้โดยไม่มีการรั่วไหล และเราคาดหวังว่าโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น โปรตีน ก็สามารถขนส่งผ่านท่อนาโนเหล่านี้ได้เช่นกัน"
สมาชิกของกลุ่ม Aksimentiev ได้ทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์พลวัตของ Brownian ของระบบนาโนพอร์-สีย้อม สิ่งเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าสำหรับโมเลกุลที่มีขนาดต่ำกว่าเกณฑ์ การรั่วไหลผ่านผนังด้านข้างของท่อ DNA มีส่วนสำคัญในการไหลเข้า ในขณะที่โมเลกุลขนาดใหญ่กว่านั้น การแพร่กระจายจากต้นทางถึงปลายทางกลายเป็นกลไกที่ต้องการ
Li อธิบายว่าการจำลองดังกล่าวเสริมกับการทดลองได้สองวิธี “พวกมันสามารถใช้เป็นเครื่องมือออกแบบเพื่อช่วยนักวิจัยในการออกแบบโครงสร้างระดับนาโนที่มีหน้าที่เฉพาะ” เขากล่าว เช่นโดย “การจำลองจลนพลศาสตร์การประกอบตัวเองของโครงสร้างนาโน DNA ของเรา” แต่ยังช่วย “ตรวจสอบผลการทดลองและให้ ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการทางกายภาพ”
การออกแบบ DNA ที่ต้องทำด้วยตัวเอง
Rebecca Schulman ผู้ร่วมเป็นผู้นำการวิจัย ได้ทำการเปรียบเทียบกับท่อ “การศึกษาครั้งนี้ชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่ามีความเป็นไปได้ที่จะสร้างท่อนาโนที่ไม่รั่วไหลโดยใช้เทคนิคง่าย ๆ เหล่านี้ในการประกอบตัวเอง โดยที่เราผสมโมเลกุลในสารละลายแล้วปล่อยให้พวกมันสร้างโครงสร้างที่เราต้องการ ในกรณีของเรา เรายังสามารถต่อท่อเหล่านี้เข้ากับจุดสิ้นสุดที่แตกต่างกันเพื่อสร้างลักษณะคล้ายท่อประปาได้”
ห้องปฏิบัติการมีแผนอันทะเยอทะยานสำหรับการประยุกต์ใช้ท่อนาโนเหล่านี้ “การพัฒนาในอนาคตรวมถึงการเชื่อมต่อเซลล์เทียมตั้งแต่สองเซลล์ขึ้นไปเข้ากับท่อนาโน DNA ของเรา และแสดงการเคลื่อนย้ายโมเลกุลระหว่างเซลล์เหล่านั้น เราอาจแสดงให้เห็นได้ว่าการขนส่งโมเลกุลส่งสัญญาณจากเซลล์หนึ่งสามารถเปิด/ปิดการแสดงออกของยีนในอีกเซลล์หนึ่งได้” หลี่กล่าว โลกฟิสิกส์. ทีมงานยังหวังที่จะ "ใช้ท่อนาโนเพื่อควบคุมการส่งโมเลกุลส่งสัญญาณหรือการบำบัดไปยังเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เพื่อศึกษาพฤติกรรมการส่งสัญญาณของเซลล์หรือเพื่อพัฒนากลยุทธ์การส่งยา"
