Construir células sintéticas funcionais de baixo para cima é um esforço contínuo de cientistas de todo o mundo. Seu uso no estudo de mecanismos celulares em um ambiente altamente controlado e pré-definido cria grande valor para a compreensão da natureza, bem como para o desenvolvimento de novas abordagens terapêuticas. Cientistas do 2º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart e colegas do Instituto Max Planck de Pesquisa Médica agora puderam dar o próximo passo em direção às células sintéticas.
Eles introduziram citoesqueletos funcionais baseados em DNA em compartimentos do tamanho de células. Os citoesqueletos são componentes essenciais de cada célula que controlam sua forma, organização interna e outras funções vitais, como o transporte de moléculas entre diferentes partes da célula. Ao incorporar os citoesqueletos nas gotículas sintéticas, os pesquisadores também mostraram funcionalidade, incluindo o transporte de moléculas ou montagem e desmontagem em determinados gatilhos. Os resultados foram publicados recentemente em Nature Chemistry .

Desafio de imitar funções do citoesqueleto

O citoesqueleto é um componente crucial de cada célula e é composto por várias proteínas. Além da função básica de dar forma à célula, é essencial para muitos processos celulares, como divisão celular, transporte intracelular de várias moléculas e motilidade em resposta à sinalização externa. Devido à sua importância em sistemas naturais, ser capaz de imitar sua funcionalidade em uma configuração artificial é um passo importante para construir e projetar uma célula sintética. No entanto, ele vem com muitos desafios devido aos seus diversos requisitos, incluindo estabilidade, rápida adaptabilidade e reatividade aos gatilhos.

Pesquisadores no campo da biologia sintética já usaram nanotecnologia de DNA para recriar componentes celulares, como imitadores de canais iônicos baseados em DNA ou ligantes célula-célula. Para isso, eles aproveitam o fato de que o DNA pode ser programado ou projetado para se auto-montar em uma forma pré-planejada por pareamento de bases complementares.

Filamentos de DNA como citoesqueleto sintético

"As estruturas de DNA sintético podem permitir tarefas altamente específicas e programadas, bem como possibilidades de design versáteis, além do que está disponível nas ferramentas biologicamente definidas. sistemas naturais", diz Laura Na Liu, professora do 2º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart.

Além disso, os pesquisadores Paul Rothemund, Elisa Franco e Rebecca Schulman, já haviam obtido sucesso na montagem de DNA em filamentos de microescala, que constituem a base da construção de um citoesqueleto. Desde então, esses filamentos vêm sendo dotados de diversas funções, como a montagem e desmontagem por estimulação externa ou dentro de um compartimento. Cientistas da Universidade de Stuttgart e do MPI for Medical Research deram agora o próximo passo para construir uma célula artificial, usando os filamentos como um citoesqueleto sintético e dando-lhes diversas funcionalidades.

"É emocionante que também possamos desencadear a montagem do citoesqueleto de DNA com ATP - a mesma molécula que as células usam para alimentar mecanismos diferentes", diz Kerstin Göpfrich, líder do grupo de pesquisa Max Planck no MPI for Medical Research.

Acelerando o transporte de vesículas

Além disso, a equipe de cientistas conseguiu induzir o transporte de vesículas ao longo dos filamentos usando o mecanismo de ponte queimada introduzido por Khalid Salaita. Isso imita o transporte da vesícula ao longo de partes do citoesqueleto natural nas células, chamadas microtúbulos. "Em comparação com o transporte em células vivas, o transporte ao longo de nossos filamentos de DNA ainda é lento. Acelerá-lo será um desafio para o futuro", diz Kevin Jahnke, primeiro autor compartilhado do artigo e pós-doc no grupo de Kerstin Göpfrich no MPIMR.

Pengfei Zhan, pós-doc no grupo liderado pela Prof. Laura Na Liu em Stuttgart, acrescenta:"Também foi um desafio ajustar as paisagens de energia das capacidades de montagem e desmontagem da nanoestrutura de DNA dos filamentos". No futuro, funcionalizar ainda mais os filamentos de DNA será crucial para imitar ainda melhor as células naturais. Assim, os pesquisadores poderiam criar células sintéticas para estudar os mecanismos celulares com mais detalhes ou desenvolver novas abordagens terapêuticas. + Explorar mais

Estudo mostra que o citoesqueleto da célula faz mais do que sustentar uma célula, ele transfere energia