Från kryptonit för Stålmannen till växtgifter för giftmurgröna, kemiska reaktioner i kroppens celler kan vara transformerande. Och, när det gäller att transmutera celler, UC San Diego-forskare håller på att bli superhjälteliknande copycats.

Nyligen utnämnd till Blavatnik National Laureate in Kemi, Neal Devaraj, tillsammans med forskningskollegorna Henrike Niederholtmeyer och Cynthia Chaggan, använde material som lera och plast för att göra syntetiska celler - eller "cellhärmare" - kapabla till genuttryck och kommunikation som konkurrerar med levande celler. Enligt vissa forskare, dessa forskningsresultat, publicerades nyligen i Naturkommunikation , kan vara bland de viktigaste inom syntetisk biologi i år.

Budskap om hopp

Att arbeta med cellhärmare är en hoppfull vetenskaplig strävan på grund av de potentiella tillämpningarna som konstgjorda celler finns. Till exempel, efter mer forskning för att säkerställa deras säker och tillförlitliga tillämpning, syntetiska celler kan så småningom konstrueras för att känna igen och fästa till cancerceller i en patients kropp, möjliggör exakt leverans av läkemedel - utan att påverka friska celler - och minska biverkningarna av kemoterapi.

Dessutom, artificiella celler kan fungera som biosensorer för giftiga kemikalier i miljön, meddela oss, till exempel, att vatten är osäkert att dricka. De skulle kunna förbättra diagnostiska tester med sin ringa storlek och biokompatibilitet, vilket skulle kunna göra det möjligt för en grupp cellhärmare att utföra olika tester samtidigt med endast en liten mängd blod. Interaktiva cellmimiker kan till och med bilda konstgjorda vävnader som utvecklas oberoende till små, mikromönsterstrukturer - ungefär som datorchips som kan bildas av sig själva. Forskare förutser också att själva processen att tillverka syntetiska celler kan leda till en bättre förståelse av livets ursprung och evolution.

Men, det finns en hake.

"Om vi ​​ska utveckla syntetiska material, vi måste få de enskilda enheterna att samarbeta, " noterade Devaraj, professor vid UC San Diego Institutionen för kemi och biokemi.

Vikten av informationsöverföring

Tills nu, cellhärmare har kommunicerat något genom att utbyta små molekyler; till exempel socker och väteperoxid. Ändå kunde de inte prata med varandra genom stora molekylära proteiner som insulin eller tillväxtfaktorer. På ett grundläggande sätt, det är som när vi försöker skicka en stor filbilaga via e-post bara för att få ett felmeddelande. Så, precis som det är viktigt för oss att framgångsrikt kunna leverera information via e -post, Det är också oerhört viktigt för kroppens celler att kommunicera genom proteinsignaler.

För att ta itu med denna begränsning i artificiell cellsyntes, Devaraj och hans team gjorde mikrofluidiska chips från en silikonpolymer för att driva ut droppar av DNA som kodar grönt fluorescerande protein (GFP), mineraler från lera och prekursorer till akrylplast. Sedan, med hjälp av ultraviolett ljus och kemikalier, de utlöste bildandet av ett svampigt membran runt varje droppe, medan DNA i varje droppe kondenseras till en gelliknande substans för att skapa en nykärna. Forskarna gav också sina cellhärmare förmågan att syntetisera proteiner. Deras metodik möjliggjorde överföring av information över det nya membranet. Resultatet var en cellmimik som kunde sända proteinsignaler till närliggande celler.

Grannegenskaper hos Copycat-celler

Enligt Niederholtmeyer, dessa pratsamma pseudoceller, "ser ut och beter sig som naturliga celler men de är gjorda av helt konstgjorda material." Andra verklighetstrogna egenskaper hos cellhärmar inkluderar kvorumavkänning – beteendeförändringar bland täta celler, uppgiftsfördelning och cellulär differentiering efter lokal miljö.

"Vi blev förvånade och glada över att våra cellhärmare så exakt kunde känna av deras täthet, vilket betyder att de kunde känna hur många grannar de hade, även om de inte var i nära kontakt med dem, ", sa Niederholtmeyer. "Det var överraskande eftersom det molekylära nätverket som ledde till kvorumavkänningsbeteendet i våra cellhärmar är mycket annorlunda än hur kvorumavkänning fungerar i bakterieceller."

Löfte om framtidsstudier, Vetenskapligt samarbete

Som superhjältar, de syntetiska cellerna är motståndskraftiga, förblir intakt under lång tid efter frysning och även vid omgivningstemperaturer. Denna motståndskraft gör dem till idealiska kandidater för miljösensorer, en möjlighet för framtida forskning av UC San Diegos forskare. Dessutom, stabiliteten och programmerbarheten hos cellhärmar gör dem spännande även för andra forskare.

"De är lätta att dela mellan forskargrupper och kan programmeras av DNA för att uttrycka vilket RNA som helst, protein eller väg, " tillade Niederholtmeyer.

Enligt postdoktorn, resultaten från den treåriga studien presenterar många potentiella användningsområden och sätt att vidareutveckla dessa cellhärmare.

"Till exempel, vi har redan blivit kontaktade av andra forskare vid UC San Diego som skulle vilja försöka använda material från våra cellhärmare i levande celler för att bekämpa sjukdomar. Vi är också intresserade av att vidareutveckla membranet, till exempel så att den kan svara på stimuli och göra den mer biologiskt aktiv. Våra cellhärmare är mycket programmerbara, ", sa Niederholtmeyer. "En annan viktig fördel är att de är så stabila, vilket kommer att göra det enkelt att dela dessa cellhärmar i samarbetsprojekt."

Vid UC San Diego, våra forskningsinsatser är utformade för att förändra världen till det bättre – genom nya mediciner, innovativ teknik och mer som hjälper till att ta itu med sjukdomar, global säkerhet, allmän ordning, klimatförändringar och mer.