Un paso más cerca de la autodivisión de células sintéticas

24. Junio 2022

La construcción de células sintéticas funcionales es un esfuerzo continuo de científicos de todo el mundo. Su uso en el estudio de los mecanismos celulares en un entorno altamente controlado y predefinido crea un gran valor para la comprensión de la naturaleza, así como para el desarrollo de nuevos enfoques terapéuticos. Científicos del Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart y del Instituto Max Planck para la Investigación Médica ahora pudieron dar el siguiente paso hacia las células sintéticas.

Imitaciones basadas en ADN de filamentos citoesqueléticos para montaje reversible y transporte de carga.  Aumentar imagen
Imitaciones basadas en ADN de filamentos citoesqueléticos para montaje reversible y transporte de carga. 
Introdujeron citoesqueletos funcionales basados en ADN en compartimentos del tamaño de una célula. Los citoesqueletos son componentes esenciales de cada célula que controlan su forma, organización interna y otras funciones vitales como el transporte de moléculas entre diferentes partes de la célula. Al incorporar los citoesqueletos en las gotas sintéticas, los investigadores también mostraron funcionalidad, incluido el transporte de moléculas o el ensamblaje y desmontaje de ciertos desencadenantes. Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Chemistry.

Desafío para imitar las funciones citoesqueléticas

El citoesqueleto es un componente crucial de cada célula, y está formado por varias proteínas. Más allá de la función básica de dar forma a la célula, es esencial para muchos  como , el transporte intracelular de varias moléculas y la motilidad en respuesta a la señalización externa. Debido a su importancia en , ser capaz de imitar su funcionalidad en una configuración artificial es un paso importante hacia la construcción y el diseño de una célula sintética. Sin embargo, viene con muchos desafíos debido a sus diversos requisitos, incluida la estabilidad, así como la rápida adaptabilidad y reactividad a los desencadenantes.

Los investigadores en el campo de la biología sintética han utilizado previamente la nanotecnología del ADN para recrear componentes celulares como imitaciones basadas en ADN de canales iónicos o enlazadores célula-célula. Para esto, aprovechan el hecho de que el ADN puede ser programado o diseñado para autoensamblarse en una forma planificada previamente mediante el emparejamiento de bases complementarias.

Filamentos de ADN como citoesqueleto sintético

"Las estructuras de ADN sintético pueden permitir tareas altamente específicas y programadas, así como posibilidades de diseño versátiles más allá de lo que está disponible en las herramientas definidas biológicamente. Especialmente, la organización estructural de las estructuras de ADN puede apartarse de sus contrapartes naturales, incluso posiblemente superando el alcance de la funcionalidad de los sistemas naturales ", dice Laura Na Liu, profesora del 2º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart.

Además, los investigadores Paul Rothemund, Elisa Franco y Rebecca Schulman, ya habían tenido éxito en el ensamblaje de ADN en filamentos a escala de micras, que constituyen la base de la construcción de un citoesqueleto. Desde entonces, estos filamentos han sido equipados con diversas funciones, como el montaje y desmontaje tras la estimulación externa o dentro de un compartimento. Científicos de la Universidad de Stuttgart y el MPI para la Investigación Médica han dado el siguiente paso para construir una célula artificial, utilizando los filamentos como un citoesqueleto sintético y dándoles una funcionalidad diversa.

"Es emocionante que también podamos desencadenar el ensamblaje del citoesqueleto de ADN con ATP, la misma molécula que las células usan para impulsar diferentes mecanismos", dice Kerstin Göpfrich, líder del grupo de investigación Max Planck en el MPI para investigación médica.

Aceleraración del transporte de vesículas

Transporte de vesículas a lo largo de imitaciones basadas en ADN de filamentos citoesqueléticos dentro del confinamiento del tamaño de una célula. Crédito: Universidad de Stuttgart y Max-Planck-Institute for Medical Research Aumentar imagen
Transporte de vesículas a lo largo de imitaciones basadas en ADN de filamentos citoesqueléticos dentro del confinamiento del tamaño de una célula. Crédito: Universidad de Stuttgart y Max-Planck-Institute for Medical Research [menos]

Además, el equipo de científicos pudo inducir el transporte de vesículas a lo largo de los filamentos utilizando el mecanismo de puente quemado introducido por Khalid Salaita. Esto imita el transporte de vesículas a lo largo de partes del citoesqueleto natural en las células, llamado microtubuli. "En comparación con el transporte en células vivas, el transporte a lo largo de nuestros filamentos de ADN sigue siendo lento. Acelerarlo será un desafío para el futuro", dice Kevin Jahnke, primer autor compartido del artículo y postdoctorado en el grupo de Kerstin Göpfrich en el MPIMR.

Pengfei Zhan, postdoctorado en el grupo dirigido por la profesora Laura Na Liu en Stuttgart, agrega: "También fue un desafío afinar los paisajes de energía de las capacidades de ensamblaje y desmontaje de los filamentos de la nanoestructura de ADN". En el futuro, funcionalizar aún más los filamentos de ADN será crucial para imitar aún mejor las células naturales. De este modo, los investigadores podrían crear células sintéticas para estudiar los mecanismos celulares con mayor detalle o desarrollar nuevos enfoques terapéuticos.