Ciencia: La célula artificial reacciona a los estímulos y rompe la simetría

Se ha construido la primera pequeña célula artificial que sigue una señal química externa y demuestra un principio fundamental en biología llamado «rotura de simetría». Los científicos de Johns Hopkins Medicine han logrado este proyecto, cuyo objetivo es comprender cómo se mueven las células y crear nuevas formas de transportar medicamentos en el cuerpo. Los resultados se publican en Science Advances. El paso previo al movimiento celular, la ruptura de la simetría, ocurre cuando las moléculas de la célula, que inicialmente estaban dispuestas simétricamente, se reorganizan en un patrón o forma asimétrica, generalmente en respuesta a estímulos. Esto es similar a cómo las aves migratorias rompen la simetría cuando pasan a una nueva configuración en respuesta a una brújula ambiental como la luz solar o puntos de referencia. A nivel microscópico, las células inmunes detectan señales químicas enfocadas en el sitio de la lesión y rompen la simetría para cruzar la pared de los vasos sanguíneos y llegar al tejido afectado.
Cuando las células rompen la simetría, se transforman en estructuras polarizadas y asimétricas, posicionándolas para avanzar hacia su objetivo. «La idea de romper la simetría es fundamental para la vida e impacta campos tan diversos como la biología, la física y la cosmología», dijo Shiva Rizvi, quien dirigió la investigación cuando era estudiante de posgrado en la Universidad Johns Hopkins y ahora es becaria postdoctoral en el Instituto de Física de Massachusetts. tecnología. «Comprender cómo funciona la ruptura de la simetría es crucial para desbloquear los fundamentos de la biología y descubrir cómo explotar esta información para diseñar terapias», continuó Rizvi. Encontrar formas de imitar y monitorear la ruptura de simetría en células artificiales se ha considerado durante mucho tiempo esencial para comprender cómo las células pueden escanear su entorno químico y reorganizar su perfil y forma químicos en respuesta. En este estudio, los científicos crearon una vesícula gigante de membrana bicapa, una célula artificial o protocélula simplificada, hecha de fosfolípidos, proteínas purificadas, sales y ATP que proporciona energía. Debido a su forma esférica, la protocélula recibió el sobrenombre de «burbuja». En el curso de los experimentos, los científicos pudieron diseñar una protocélula con una capacidad de detección química que rompe la simetría, pasando de una forma esférica casi perfecta a una forma irregular. Los investigadores dicen que el sistema está diseñado específicamente para imitar el primer paso de una respuesta inmune y es capaz de enviar una señal a los neutrófilos para que ataquen a los gérmenes basándose en las proteínas que detectan a su alrededor. “Es una señal química externa que imita. las condiciones que se encuentran en el organismo”, dijo Rizvi. «Al construir una estructura similar a una célula desde cero, podemos identificar y comprender mejor los componentes básicos necesarios para que una célula rompa la simetría en su forma más simple», continuó Rizvi. Según los científicos, algún día la detección química podría usarse para administrar medicamentos específicos dentro del cuerpo. «La idea es que puedes empaquetar lo que quieras en estas burbujas, ya sean proteínas, ARN, ADN, colorantes o moléculas pequeñas, decirle a la célula adónde ir usando sensores químicos y luego acercar la célula al objetivo deseado en para liberarla”, explicó Takanari Inoue, profesor biólogo celular y director del Centro de Dinámica Celular de Johns Hopkins Medicine y autor del estudio. Para activar la capacidad de detección química de la vesícula, los investigadores insertaron dos proteínas en la célula artificial. que actúan como interruptores moleculares, llamados FKBP y FRB. La proteína FKBP se colocó en el centro de la célula, mientras que la FRB se colocó en la membrana. Cuando los científicos introdujeron una sustancia química, la rapamicina, en el exterior de la célula bulla, la FKBP se movió a través de la membrana. membrana para unirse a la FRB, lo que desencadena un proceso llamado polimerización de actina, que es la reorganización del esqueleto sintético de la célula dentro del protoplasto. Una estructura en forma de varilla formada por actina que ejerce presión sobre la membrana celular, provocando que se doble. Para comprobar la capacidad quimiosensorial de las células de los protozoos, los investigadores utilizaron un tipo de obtención de imágenes tridimensionales rápidas llamada microscopía confocal. Tuvieron que grabar imágenes rápidamente, a un ritmo de un cuadro cada 15 a 30 segundos, ya que las células primarias respondieron rápidamente a la señal química. A continuación, los investigadores planean darles a estas células artificiales la capacidad de moverse hacia un objetivo deseado.
En última instancia, los investigadores esperan diseñar células artificiales que podrían tener grandes aplicaciones potenciales en la administración dirigida de fármacos, la detección ambiental y otros campos donde el movimiento preciso y la respuesta a los estímulos son fundamentales. (Yo voy)