Friedrich Simmel och Aurore Dupin, forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM), har för första gången skapat konstgjorda cellsammansättningar som kan kommunicera med varandra. Cellerna, separerade av fettmembran, utbyta små kemiska signalmolekyler för att utlösa mer komplexa reaktioner, såsom produktion av RNA och andra proteiner.

Forskare runt om i världen arbetar med att skapa konstgjorda, cellliknande system som efterliknar beteendet hos levande organismer. Friedrich Simmel och Aurore Dupin har skapat sådana artificiella cellaggregat i ett fast rumsligt arrangemang. Höjdpunkten är att cellerna kan kommunicera med varandra.

"Vårt system är ett första steg mot vävnadsliknande, syntetiska biologiska material som uppvisar komplext rumsligt och tidsmässigt beteende där enskilda celler specialiserar sig och differentierar sig, inte olikt biologiska organismer, " förklarar Friedrich Simmel, Professor i fysik av syntetiska biosystem (E14) vid TU München.

Genuttryck i en fast struktur

Geler eller emulsionsdroppar inkapslade i tunna fett- eller polymermembran fungerar som de grundläggande byggstenarna för de konstgjorda cellerna. Inuti dessa 10 till 100 mikron enheter, kemiska och biokemiska reaktioner kan fortgå ohämmat.

Forskargruppen använde droppar inneslutna av lipidmembran och satte ihop dem till konstgjorda flercelliga strukturer som kallas mikrovävnader. De biokemiska reaktionslösningarna som används i dropparna kan producera RNA och proteiner, ger cellerna en slags genuttrycksförmåga.

Signalutbyte och rumslig differentiering av celler

Men det är inte allt:Små signalmolekyler kan utbytas mellan celler via deras membran eller proteinkanaler inbyggda i membranen. Detta gör att de kan koppla ihop sig med varandra temporärt och spatialt. Systemen blir därmed dynamiska, som i verkliga livet.

Kemiska pulser fortplantar sig alltså genom cellstrukturerna och förmedlar information. Signalerna kan också fungera som triggers, tillåter initialt identiska celler att utvecklas annorlunda. "Vårt system är det första exemplet på ett multicellulärt system där konstgjorda celler med genuttryck har ett fast arrangemang och kopplas via kemiska signaler. På så sätt vi uppnådde en form av rumslig differentiering, säger Simmel.

modeller, minifabriker och mikrosensorer

Att utveckla den här typen av syntetiska system är viktigt eftersom de gör det möjligt för forskare att undersöka grundläggande frågor om livets ursprung i en modell. Komplexa organismer blev möjliga först efter att celler började specialisera sig och fördela arbete mellan samarbetande celler. Hur detta gick till är en av de mest fascinerande frågorna inom grundforskningen.

Med hjälp av en modulär byggsats av skräddarsydda cellsystem, forskarna hoppas kunna simulera olika egenskaper hos biologiska system i framtiden. Tanken är att celler reagerar på sin omgivning och lär sig att agera självständigt.

De första ansökningarna är redan vid horisonten:På lång sikt, konstgjorda cellsammansättningar kan användas som minifabriker för att producera specifika biomolekyler, eller som små mikrorobotsensorer som bearbetar information och anpassar sig till sina miljöer.

Celler från en 3D-skrivare

Friedrich Simmel och Aurore Dupin monterar fortfarande sina cellsystem manuellt med hjälp av mikromanipulatorer. I framtiden, dock, de planerar att samarbeta med Munich University of Applied Sciences, till exempel, att systematiskt bygga större och mer verklighetstrogna system med hjälp av 3-D-utskriftsteknik.