Dodano: 15 wrzesień 2021r.

Naukowcy tworzą sztuczne komórki, które naśladują funkcje biologicznych komórek

Zespół badaczy stworzył z materii nieorganicznej syntetyczne struktury podobne do komórek, które autonomicznie pobierają, przetwarzają i wydalają materiał. Odtwarzają w ten sposób podstawowe funkcje żywych komórek.

Naukowcy tworzą sztuczne komórki, które naśladują funkcje biologicznych komórek

 

Naukowcy z New York University oraz University of Chicago zbudowali syntetyczne komórki, które potrafią naśladować kluczowe funkcje żywych komórek. Badacze na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-021-03774-y) opublikowali też schemat tworzenia podobnych struktur. Jak przekonują eksperci, ich zastosowanie może być bardzo szerokie. Mogą na przykład precyzyjnie dostarczać leki w wybrane miejsca organizmu lub służyć dalszym badaniom biologicznym i medycznym. 

Funkcje żywych komórek

Podstawową funkcją komórek, jak tłumaczą autorzy badań w publikacji, jest ich zdolność do pozyskiwania energii. Energia ta jest następnie wykorzystywana do dalszego pobierania, przetwarzania i usuwania materii na zewnątrz. Proces ten nazywany jest transportem aktywnym, a różne substancje przemieszczają się z obszarów o niższym stężeniu do obszarów o wyższym stężeniu. Zjawisko to pozwala komórkom pobierać niezbędne mikroelementy takie jak glukoza czy aminokwasy, magazynować energię i usuwać odpady.

Naukowcy od wielu lat pracują nad stworzeniem sztucznych komórek. Zadaniem takich mikroskopijnych struktur jest naśladowanie cech i zachowania komórek biologicznych. Do tej pory nie udało się jednak odtworzyć wszystkich złożonych organicznych procesów, takich jak aktywny transport.

Teraz badacze zrobili znaczący krok naprzód w dziedzinie inżynierii podstawowych struktur budujących biologiczny świat. Opracowali sztuczne struktury, które imitują działanie komórek. Co ważne zachodzi w nich aktywny transport mikroelementów, a konkretnie wychwytywanie, koncentrowanie, przechowywanie i wydalanie różnych substancji.

Takie mikroskopijne „roboty” nie potrzebują żadnych składników odżywczych ani materiału biologicznego, który jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania „prawdziwych” komórek.

Jak powstała sztuczna komórka?

Aby stworzyć komórkopodobną strukturę naukowcy wykorzystali polimer, z którego wykonali kulistą membranę wielkości czerwonej krwinki. Jest to odpowiednik błony komórkowej, która kontroluje substancje przedostające się i wychodzące z komórki. Następnie w sferycznej strukturze przebili mikroskopijny otwór, tworząc „nanokanał”. Dzięki tej imitacji kanału białkowego materiał może być wymieniany.

Jednak do aktywnego transportu znanego z żywych komórek niezbędna jest energia. Żywe komórki wykorzystują energię wytwarzaną przez mitochondria. W przypadku sztucznej struktury badacze dodali do „nanokanału” reaktywny chemicznie składnik, który po aktywacji światłem działa jak pompa. Kiedy zatem światło trafia na taką „pompę”, wyzwala reakcję chemiczną, tworząc maleńką próżnię i wciągając substancje do wnętrza membrany. Kiedy mechanizm zostanie wyłączony, ładunek pozostaje uwięziony i może być przechowywany. Po odwróceniu reakcji substancje są wypychane na zewnątrz sztucznej komórki.

- Nasza koncepcja umożliwia tym sztucznym naśladowcom komórek autonomiczne działanie i wykonywanie zadań aktywnego transportu, które do tej pory były zarezerwowane jedynie dla organizmów żywych – mówi chemik, prof. Stefano Sacanna z New York University.

Możliwe zastosowania

Naukowcy testowali sztuczne komórki w różnych środowiskach. W jednym z eksperymentów obserwowali ich działanie w wodzie. Po aktywacji światłem badacze zaobserwowali, że ich struktura wchłania mikroskopijne zanieczyszczenia. Możliwe zatem, że w przyszłości będzie można je wykorzystać do oczyszczania wody.

W innym eksperymencie naukowcy wykazali, że sztuczne komórki są w stanie „połknąć” bakterie E. coli i uwięzić je w sobie. Potencjalnie struktura ma szansę stać się zatem nową metodą zwalczania szkodliwych drobnoustrojów w organizmie. Zastosowaniem syntetycznej komórki może być też dostarczanie leków, ponieważ po aktywacji uwolni ona z siebie załadowaną wcześniej substancję.

Badacze kontynuują prace nad rozwojem syntetycznych komórek. W przyszłości chcą skonstruować takie, które wykonywałyby więcej zadań, a nawet uczyły się komunikacji między sobą.

 

Źródło: New York University, fot. Nature