Vilka kriterier måste en syntetiskt skapad cell uppfylla för att anses levande? Vilka är de minimala kraven för individuella funktioner hos en sådan cell?

Frågor som dessa driver Petra Schwille och hennes team vid Max Planck Institute for Biochemistry. Nu har forskarna visat att det bara krävs fem biologiska byggstenar för att generera cellliknande strukturer som uppvisar autonom rörelse samtidigt som de förbrukar energi. Upptäckten av dessa pulserande, att slå blåsor kom som en överraskning, eftersom forskarna från början ville undersöka processer relaterade till celldelning. Studien publicerades i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .

Syntetisk biologi har satt sig i uppgift att imitera biologiska system, eller till och med modifiera dem på ett sätt som möjliggör nya applikationer. Som sådan, cellfunktion kan reproduceras i provröret och därmed bättre förstås, vilket kan leda till tekniska framsteg. De molekylära byggstenarna som används är mestadels av biologiskt ursprung, men forskare kan antingen imitera naturliga mekanismer eller utöva nya tillvägagångssätt.

Ofta är det en del av syntetisk biologi att innesluta de biologiska byggstenarna i mikroskopiskt små behållare för att kunna reproducera förhållanden i levande celler. Populära behållare är så kallade jätteblåsor.

Dessa bubbelliknande strukturer består av ett tunt lipidlager som liknar cellmembranet. Dessutom, de delar andra fastigheter, t.ex. deras storlek (1-100 µm), med levande celler. Detta gör dem till ett idealiskt modellsystem inom syntetisk cellbiologi.

Forskarna vid Max Planck Institute of Biochemistry har nu inneslutit två olika proteiner och kemisk energi i form av ATP i de cellliknande jättevesiklarna. Under mikroskopet, de observerade att strukturerna började röra sig självständigt och periodiskt. I sin publikation i, de beskriver dessa strukturer som "slagande vesiklar".

Hur bestämmer en cell sitt centrum?

Proteinerna som används för dessa experiment kommer från tarmbakterien Escherichia coli, som fungerar som ett viktigt modellsystem inom biologisk forskning. Dessa bakterier har en långsträckt form och delar sig exakt i mitten. För att ta reda på var detta centrum är, de stavformade bakterierna använder en sofistikerad mekanism:proteinerna MinD och MinE pendlar fram och tillbaka mellan de två ändarna av bakterien. Celldelningsmaskineriet stöts bort av dessa proteiner och sätter sig så långt bort som möjligt från ändarna:mitt i cellen.

Resemönster

Nu, forskare från institutionen för cellulär och molekylär biofysik vid Max Planck Institute of Biochemistry har för första gången lyckats kapsla in dessa oscillerande proteiner i jättevesiklar. Teamet från Petra Schwille observerade att proteinerna i de jättelika vesiklerna rör sig med jämna mellanrum och svänger fram och tillbaka - liknande beteendet hos levande bakterier.

I framtida experiment, forskarna planerar att innesluta ytterligare komponenter i vesiklarna. Detta skulle kunna göra det möjligt för vesiklarna att dela sig och därmed föröka sig. Dock, de blinkande proteinmönstren var inte den enda effekten som forskarna observerade under mikroskopet:Dessutom, vesiklarna rörde sig autonomt och ändrade rytmiskt sin form som studsande gummibollar.

Thomas Litschel, första författare till studien, förklarar att observationerna kom som en överraskning, eftersom det tidigare inte var känt att ett så enkelt system, byggd av endast ett fåtal byggstenar, kan leda till dynamiska membrandeformationer av denna omfattning. "De flesta fenomen i biologiska system är mycket mer komplexa än de verkar. Här, till sist, motsatsen är sant:ett till synes komplext beteende som består av väldigt få olika biologiska funktionsmoduler", sammanfattar Petra Schwille resultaten.

Även om vägen till syntetiskt producerade celler är lång, rekonstitutionen av individuella biologiska funktioner lägger till ytterligare ett föremål till den biotekniska verktygssats som krävs för att uppnå detta mål. Varje steg på vägen till den syntetiska cellen förbättrar också förståelsen för processer i existerande organismer. På det här sättet, de "slagande vesiklerna" hjälper forskarna att studera livets grundläggande principer.