Att baka en tårta från grunden är en uppgift som anses svår för många. Konstruera ett artificiellt cellliknande system från grunden, det är en annan historia.

"Syntetisera celler från grunden är av grundläggande betydelse för att förstå vad liv är, " sa Prof. Yohei Yokobayashi, ledare för Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit.

Forskare runt om i världen börjar skapa enkla konstgjorda celler som utför vissa grundläggande biologiska funktioner och som innehåller små strängar av DNA eller RNA. Dock, att få dessa fragment av genetiskt material att uttrycka sina kodade proteiner som svar på exakta signaler har varit en utmaning.

Nu, Yokobayashi och andra forskare från OIST och Osaka University har hittat ett sätt att få konstgjorda celler att interagera med ett brett utbud av kemikalier. De utvecklade en riboswitch - en genswitch som känner av kemiska signaler - som kan svara på histamin, en kemisk förening som produceras naturligt i kroppen. I närvaro av denna kemikalie, riboswitchen sätter på en gen inuti de konstgjorda cellerna. Ett sådant system, kan en dag användas som ett nytt sätt att administrera medicin, sa Yokobayashi, en motsvarande författare på en nyligen genomförd studie i Journal of the American Chemical Society , som beskriver tillvägagångssättet.

"Vi vill att cellerna ska frigöra läkemedel baserat på deras upptäckt av histamin, "Yokobayashi sa. "Det slutliga målet är att få celler i din tarm att använda histamin som en signal för att frigöra lämplig mängd läkemedel för att behandla ett tillstånd."

Signalval

Forskarna valde histamin som den kemiska signalen för deras konstgjorda celler eftersom det är en viktig biologisk förening i immunsystemet. Om du känner en klåda, histamin är den troliga boven. Det frigörs också av kroppen under allergiska reaktioner och hjälper till att försvara sig mot främmande patogener genom att stimulera inflammation.

För att upptäcka histamin, de skapade en molekyl som kallas en RNA-aptamer. RNA-aptamerer är små segment av RNA-byggstenar som kan konstrueras för att fungera som bindande medel till specifika målmolekyler. Det tog Yokobayashi och hans kollegor, tidigare OIST-postdoktorer Dr. Mohammed Dwidar och Dr. Shungo Kobori och OIST Ph.D. student Charles Whitaker, två år för att skapa en aptamer som riktade sig mot histamin.

Nästa, teamet utvecklade en så kallad riboswitch som skulle förvandla denna signaldetektering till handling – specifikt, översätta en gen för att producera ett protein. I vanliga fall, celler producerar proteiner när mallar gjorda av budbärar-RNA (mRNA) binder till cellulära strukturer som kallas ribosomer. Här, forskarna använde histaminaptameren för att designa en riboswitch som ändrar formen på mRNA:t när histamin binds. I frånvaro av histamin, formen på mRNA hindrar ribosomen från att binda, och inget protein produceras. Histaminbundet mRNA, dock, tillåter ribosom att binda och syntetisera proteiner.

"Vi visade att riboswitchar kan användas för att få konstgjorda celler att svara på önskade kemiska föreningar och signaler, " sa Yokobayashi.

Nästa steg var resultatet av ett samarbete med seniorförfattaren prof. Tomoaki Matsuura och doktorand Yusuke Seike vid institutionen för bioteknik vid Osaka University. Matsuura och Seike placerade den cellfria riboswitchen som skapats av Yokobayashis team i lipidvesiklar för att skapa konstgjorda celler. Osaka-teamet fäste riboswitchen till en gen som uttrycker ett fluorescerande protein, så att när riboswitchen aktiverades av histamin, systemet glödde. Sedan, de kontrollerade ett annat protein med riboswitchen – en som gör porer i nanometerskalan på cellmembranet. När aptameren kände av histamin, en fluorescerande förening inkapslad i vesiklarna släpptes ut ur cellerna genom porerna, modellera hur systemet skulle frigöra ett läkemedel.

Forskarna skapade också en "kill switch" som instruerar cellen att självförstöra - vilket skapar en kontroll för tekniken.

Tekniken är i ett tidigt skede av utveckling. Nästa steg är att göra de konstgjorda cellerna känsligare för en mindre mängd histamin. Medicinsk användning kan vara i en avlägsen framtid, men potentialen finns, säger forskarna.