p Protocélulas - células artificiais - que são ativas e imitam células vivas movendo-se independentemente e que são biocompatíveis e enzimaticamente ativas agora são possíveis usando um método aprimorado desenvolvido por pesquisadores da Penn State. p As células vivas são difíceis de cultivar em laboratório, então, os pesquisadores às vezes trabalham com células sintéticas, mas estes têm limitações de pesquisa porque carecem de características celulares reais.

p "Um dos desafios da pesquisa com células é que às vezes é muito difícil realizar experimentos controlados sobre a mobilidade de uma célula, especialmente devido à atividade enzimática de superfície, "disse Darrell Velegol, distinto professor de engenharia química. "A equipe de pesquisa desenvolveu uma maneira simples de fazer uma célula artificial que não faz tudo o que uma célula normal faz, como reproduzir, têm mutações genéticas ou algo parecido, mas se move ativamente. Isso é importante porque a forma como as células se movem é mal compreendida, especialmente como a atividade das enzimas influencia o movimento celular. "

p As protocélulas da equipe são usadas para investigar como a atividade de enzimas naturais como a ATPase pode impulsionar o movimento ativo das protocélulas. O processo bioquímico da enzima ATPase envolve a conversão de ATP (trifosfato de adenosina) no produto ADP (difosfato de adenosina). O ATP é um químico orgânico complexo que fornece energia para as células vivas e o ADP é um composto orgânico que desempenha um papel importante em como as células liberam e armazenam energia.

p "Tentativas de experimentos semelhantes na última década tiveram as enzimas incorporadas dentro de sacos de tamanho mícron chamados vesículas poliméricas, ou amarrado à superfície de partículas duras, "disse Subhadip Ghosh, pesquisador de pós-doutorado em química. "Mas essas tentativas não tinham semelhanças biológicas significativas com nossas protocélulas."

p Nos experimentos da equipe de pesquisa, as protocélulas têm membranas artificiais reais compostas de um lipídio natural chamado fosfatidilcolina. As enzimas ATPase foram incorporadas diretamente na membrana.

p "Nossos resultados basicamente dão a outros pesquisadores os primeiros passos para a produção de células artificiais com atividade enzimática, "Ghosh disse.

p Um resultado inesperado do estudo, que foi disponibilizado online em agosto de 2019 antes da publicação final em 11 de setembro, 2019 em uma edição de Nano Letras , aconteceu durante experimentos de difusão que foram realizados em um único regime molecular. Como esperado, o movimento das protocélulas era baixo para baixas concentrações de ATP.

p "Surpreendentemente, o movimento das protocélulas caiu significativamente em alta concentração de ATP, "disse Ayusman Sen, o Verne M. Willaman Professor de Química na Penn State.

p De acordo com os pesquisadores, isso era tão contra-intuitivo quanto pisar no acelerador de um automóvel e fazer o veículo diminuir a velocidade. Depois de realizar experimentos de controle abrangentes, os pesquisadores concluíram que quando a concentração de ADP é alta, pode se ligar à ATPase e suprimir a atividade ATP do substrato, causando motilidade reduzida.

p Ter a capacidade de fabricar as protocélulas ativas enzimaticamente abre novas oportunidades. Armado com esses simuladores de células vivas móveis, os pesquisadores pretendem revelar os mecanismos fundamentais que regem a dinâmica da membrana ativa e o movimento celular. Dado o conhecimento limitado atual de como as células se movem, incluindo como a ação da enzima atua no movimento celular, os membros da equipe de pesquisa acreditam que seu trabalho pode ter implicações significativas para pesquisas médicas futuras.

p "Um desafio importante é estimar as forças mecânicas que impulsionam o movimento da protocélula, e descobrir mudanças na estrutura da enzima durante esse processo, "disse Farzad Mohajerani, assistente de pesquisa em engenharia química. "Saber que a relação estrutura-função para o movimento das protocélulas permitirá seu design para aplicações in vivo em potencial, como sensoriamento médico e análise de laboratório."