Biólogos crean las células artificiales más realistas hasta ahora

El biólogo químico Neal Devaraj y sus colegas de la Universidad de California, San Diego (UCSD)  trabajan en “células” microscópicas.

Pero en lugar de la membrana lipídica que envuelve nuestras células, estos imitadores de células llevan una capa de plástico: acrilato polimerizado.

Y aunque albergan un compartimento similar a un núcleo que contiene ADN, carecen de una membrana como el núcleo de una célula real, y sus principales ingredientes son minerales que se encuentran en la arcilla.

Sin embargo, estas células simuladas son de vanguardia, “lo más cerca que nadie se ha estado a la construcción de una célula eucariótica sintética que funcione realmente”, dice la bióloga sintética Kate Adamala, de la Universidad de Minnesota en Minneapolis, quien no formó parte del trabajo.

Al igual que las células reales, las esferas pueden enviar señales de proteínas a sus vecinos, lo que desencadena un comportamiento comunitario.

Y como Devaraj y su equipo revelaron el “núcleo” habla con el resto de la célula, liberando ARN que desencadena la síntesis de proteínas.

Los núcleos artificiales incluso pueden responder a señales de otros miméticos celulares.

“Este puede ser el artículo más importante en biología sintética este año”, dice Adamala.

Los biólogos sintéticos tienen grandes sueños para las células artificiales.

En comparación con las estructuras sintéticas más simples, como los liposomas que ya se están utilizando para transportar ciertos medicamentos en el cuerpo, podrían ser más sensibles a su entorno y realizar una mayor variedad de trabajos.

En el futuro, las células artificiales pueden administrar medicamentos de manera más precisa a sus objetivos, cazar células cancerosas, detectar sustancias químicas tóxicas o mejorar la precisión de las pruebas de diagnóstico.

Las matrices de células sintéticas que interactúan podrían formar tejidos artificiales y materiales inteligentes que detectan y se adaptan a su entorno.

A medida que los científicos se esfuerzan por diseñar facsímiles celulares, también pueden aprender más sobre cómo se originó la vida y superar algunos de los mismos desafíos de ingeniería.

Realizar algunas funciones de una célula, como la fabricación de proteínas y la duplicación de ADN, de forma aislada no será suficiente.

“Si vamos a desarrollar materiales sintéticos, necesitamos que las unidades individuales cooperen”, dice Devaraj.

Los investigadores ya habían ideado células sintéticas que pueden comunicarse entre sí mediante el intercambio de moléculas relativamente pequeñas, como azúcares y peróxido de hidrógeno.

Sin embargo, señala Devaraj, muchas de las señales moleculares en nuestros cuerpos, incluida la hormona insulina y las citoquinas que activan nuestras células inmunitarias, son proteínas y, por lo general, son mucho más grandes.

Para hacer una mímica celular más parecida a una célula, Devaraj y sus colegas se alejaron de la naturaleza.

Sus últimas pseudocélulas “se parecen un poco a las células naturales, pero están hechas de materiales completamente artificiales”, dice el coautor Henrike Niederholtmeyer, un biólogo sintético de UCSD.

Los investigadores utilizaron un chip de silicio con canales microscópicos llenos de líquido para extruir pequeñas gotas que contienen materias primas como el ADN, minerales de arcilla y moléculas individuales de acrilato.

La luz ultravioleta y el tratamiento químico estimularon la formación de una membrana porosa alrededor de cada gota.

Al mismo tiempo, los minerales y el ADN dentro de la gota se condensaron en un gel con la textura de una lente de contacto suave, creando una versión del núcleo, dice Devaraj.
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El resultado fue una réplica celular con nuevos poderes de comunicación.

Para algunos experimentos, el equipo de Devaraj equipó los núcleos de las células miméticas con el ADN que codifica la proteína verde fluorescente (GFP).

También equiparon algunas de sus creaciones con una trampa, un tramo pegajoso de ADN que captura las moléculas de GFP.

Al agregar una mezcla de enzimas y otros requerimientos para la síntesis de proteínas, como los ribosomas, al líquido que rodea a las células ersatz, los investigadores las activaron.

Esta maquinaria molecular cruzó la membrana porosa, leyó la información genética en el núcleo y provocó la síntesis de GFP.

Luego, los científicos mezclaron simuladores de células diseñados para producir GFP con células receptoras que no podían producir el marcador por sí mismos, pero que albergaban la trampa de ADN para GFP.

Después de 2 horas, las celdas receptoras que estaban adyacentes a los remitentes se encendieron, lo que indica que habían recogido el mensaje GFP de los vecinos.

En un experimento similar, el equipo creó imitaciones que emitieron una señal de proteína diferente que activa la síntesis de GFP en los destinatarios.

Al igual que las células reales, estos imitadores de células podrían comunicarse con contrapartes cercanas y estimularlas para producir proteínas.

Las células de imitación también mostraron otro atributo realista llamado detección de quórum, en el cual el comportamiento de las células cambia una vez que se vuelven lo suficientemente abundantes.

Esta habilidad salió a la luz cuando los investigadores probaron soluciones que contenían diferentes densidades de imitadores de células, todas las cuales liberaron el activador de la síntesis de GFP y podían producir GFP también cuando se activaban.

Si una solución contenía solo algunas de las células sintéticas, casi ninguna se volvió verde.

Sin embargo, después de que alcanzaron un umbral de densidad, casi todos se iluminaron.

Antes de que puedan comenzar a producir GFP, las células artificiales al parecer necesitan absorber una cierta cantidad mínima de la proteína activadora de su entorno.

Los imitadores celulares son resistentes, permanecen intactos después de 2 años en un congelador.

Su durabilidad puede convertirlos en buenos sensores ambientales, una de varias aplicaciones para las estructuras que el equipo de UCSD está explorando ahora.

Y Devaraj y sus colegas esperan equipar estas u otras células sintéticas con la capacidad de crecer y dividirse.

El bioingeniero Yuval Elani de Imperial College London está impresionado con el diseño de los miméticos celulares.

“El concepto de usar estos componentes no biológicos es poderoso”.

Pero los componentes artificiales también podrían ser un inconveniente para las aplicaciones, señala, si resultan incompatibles con los componentes “naturales” que forman las células artificiales que otros investigadores están desarrollando.

Fuente: Science Mag