Espera-se que as células criadas em um tubo de ensaio possam responder a algumas das principais questões da biologia. Qual é o mínimo que uma célula precisa para viver? E como começou a vida na Terra? Pesquisadores do Instituto Max Planck de Dinâmica de Sistemas Técnicos Complexos em Magdeburg e do Centro de Pesquisa Paul Pascal do CNRS e da Universidade de Bordeaux agora apresentam os precursores de uma célula artificial. Em um experimento de biologia sintética, eles conseguiram incorporar a forma simples de uma função metabólica em gotículas microscopicamente pequenas:uma reação química, mantida por um fornecimento integrado de energia.

"Como um organismo vivo evita a deterioração?", Erwin Schrödinger pergunta em seu livro, "O que é a vida?", em que ele explica os aspectos físicos da matéria viva. De acordo com o físico, a resposta é simples:"Ao comer, beber e respirar (...) ". O termo especializado usado para isso é" metabolismo ", mais conhecido como "função metabólica". Os processos bioquímicos que ocorrem permitem que os organismos vivos ganhem energia e criem ou decomponham substâncias. Para células individuais, também - independentemente de serem organismos unicelulares ou organizados em um organismo maior - a função metabólica é essencial para a capacidade de viver e sobreviver.

As células vivas precisam de um metabolismo e um limite para o meio ambiente

Portanto, se os pesquisadores em biologia sintética desejam sintetizar células, entre outras coisas, eles devem integrar um metabolismo em um espaço separado do meio ambiente. Isso é precisamente o que os cientistas, liderado por Jean-Christophe Baret do Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP, em inglês:o Centro de Pesquisa Paul Pascal) em Bordeaux e Kai Sundmacher do Instituto Max Planck para Dinâmica de Sistemas Técnicos Complexos em Magdeburg, agora conseguiram fazer de uma forma simplificada. Aqui, suas células artificiais consistiam em nada mais do que gotículas de água microscopicamente pequenas, que foram formados em óleo. Eles serviram aos pesquisadores como unidades minúsculas que foram separadas de seu ambiente - semelhantes às células que são separadas de seu ambiente por uma membrana.

Os pesquisadores adicionaram diferentes componentes moleculares no interior dessas gotículas, que por sua vez simulava uma reação metabólica. Na verdade, à primeira vista, essa célula sintética simplificada parece muito diferente de seu equivalente natural. Contudo, uma coisa é certa:"De uma perspectiva tecnológica, tais sistemas mínimos são modelos relevantes a partir dos quais sistemas mais complexos e mais próximos da natureza podem ser desenvolvidos ", Kai Sundmacher, O diretor do Instituto Max Planck em Magdeburg explica.

Quais são os componentes decisivos para uma célula viva?

De acordo com Ivan Ivanov, engenheiro e pesquisador do Instituto Max Planck de Dinâmica de Sistemas Técnicos Complexos, ele e seus colegas inicialmente queriam apenas projetar um sistema mínimo que tivesse as propriedades básicas da célula. Só assim é possível descobrir quais são os componentes que têm, em última análise, uma importância decisiva para a vida. Passo a passo, ele e seus colegas, portanto, construíram um modelo de função metabólica a partir de componentes moleculares. O jargão usado pelos especialistas para esse procedimento é o princípio de baixo para cima.

Para engenheiros, a abordagem ascendente faz parte do seu trabalho diário, mas para biólogos sintéticos, não é. Em vez de, eles geralmente funcionam usando o princípio de cima para baixo. Eles começam com um organismo real, que eles modificam usando métodos de tecnologia genética, assim, equipando-o com novas funções e propriedades. “No material genético das células, Contudo, há muitas coisas que são redundantes ou mesmo desnecessárias ", Ivanov explica, com referência ao problema de usar top. abordagens para baixo. Afinal, em tais casos, os cientistas não aprendem quais recursos são realmente necessários para a criação da vida.

A técnica microfluídica produz gotas conforme necessário

Bem como a função metabólica, separação do meio ambiente também é necessária. Como Ivanov explica, “Cada célula tem uma parede até certo ponto, que o separa de seu ambiente ". Esses compartimentos separados, como os especialistas os chamam, pode ser criado através de membranas ou, como neste trabalho atual, através de gotículas.

Os pesquisadores estão usando o que é conhecido como "tecnologia microfluídica", o que torna possível produzir microgotículas em grande número e analisá-las rapidamente. Aqui, os cientistas foram capazes de ajustar com precisão o tamanho e a composição conforme necessário. Usando módulos microfluídicos, eles então preencheram os compartimentos com fosfato de glicose e o cofator NAD +. Até certo ponto, o primeiro fornece nutrientes para as células artificiais, que na presença do cofator NAD + são transformados em um produto químico final enquanto liberam energia química.

NAD + também desempenha um papel no metabolismo das células vivas, e absorve hidrogênio durante o curso da reação metabólica, para que seja convertido em NADH. Para que a reação seja mantida na realidade, os cientistas adicionaram um módulo que regenera o NAD + oxidando o NADH de volta ao NAD +. Assim, o cofator está sempre disponível em sua forma exigida.

Se o fosfato de glicose foi totalmente usado, as células entram em um modo de hibernação até um certo grau, que poderia ser encerrado por meio de uma alimentação renovada com seus nutrientes, usando - novamente - um sistema de microinjeção.

As células reais devem se multiplicar e armazenar seu design estrutural

De acordo com o chefe do projeto, Jean-Christophe Baret, o modelo de metabolismo possui todas as características básicas da função metabólica natural e oferece uma plataforma para estudos futuros:"Com a tecnologia microfluídica, podemos produzir quantidades controladas de tais componentes elementares e dar-lhes funções ainda mais complexas. Desta maneira, as hipóteses podem, por sua vez, ser testadas em relação à criação de vida a partir de ingredientes conhecidos e controlados. "Para realmente imitar células genuínas de uma forma que seja suficientemente próxima da realidade, tais sistemas também requerem a capacidade de reprodução, por exemplo, bem como um mecanismo para armazenar seu projeto estrutural, um conjunto de recursos ainda à nossa frente.

Contudo, mesmo sem esses recursos, para o autor principal da publicação, Thomas Beneyton, é possível que tais sistemas artificiais se comportem de maneira semelhante aos biológicos. Por exemplo, gotas podem ser produzidas com "aptidão desigual - em outras palavras, com um apetite diferente ou com uma quantidade variável de saída de nutrientes - e permitem a troca de nutrientes entre as células. Desta maneira, uma situação de competição poderia ser criada como aquelas que também são observadas entre células reais. Essas células de gotículas então se comportariam inteiramente de acordo.