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 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.
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.
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.
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
