DNA-baserade härmar av cytoskelettfilament för reversibel montering och lasttransport. Kredit:University of Stuttgart och Max-Planck-Institute for Medical Research
Att bygga funktionella syntetiska celler nerifrån och upp är ett pågående arbete av forskare runt om i världen. Deras användning för att studera cellulära mekanismer i en mycket kontrollerad och fördefinierad miljö skapar stort värde för förståelse av naturen såväl som för att utveckla nya terapeutiska metoder. Forskare från 2nd Physics Institute vid universitetet i Stuttgart och kollegor från Max Planck Institute for Medical Research kunde nu ta nästa steg mot syntetiska celler.
De introducerade funktionella DNA-baserade cytoskelett i cellstora fack. Cytoskelett är väsentliga komponenter i varje cell som styr deras form, inre organisation och andra vitala funktioner såsom transport av molekyler mellan olika delar av cellen. Efter att ha införlivat cytoskeletten i de syntetiska dropparna visade forskarna också funktionalitet, inklusive transport av molekyler eller montering och demontering på vissa triggers. Resultaten publicerades nyligen i Nature Chemistry .
Utmaning att efterlikna cytoskelettfunktioner
Cytoskelettet är en avgörande komponent i varje cell, och den består av olika proteiner. Utöver den grundläggande funktionen att ge cellen dess form är den väsentlig för många cellulära processer som celldelning, intracellulär transport av olika molekyler och rörlighet som svar på extern signalering. På grund av dess betydelse i naturliga system är det ett viktigt steg mot att bygga och designa en syntetisk cell att kunna efterlikna dess funktionalitet i en artificiell uppställning. Det kommer dock med många utmaningar på grund av dess olika krav, inklusive stabilitet såväl som snabb anpassningsförmåga och reaktivitet för utlösare.
Forskare inom området syntetisk biologi har tidigare använt DNA-nanoteknik för att återskapa cellulära komponenter såsom DNA-baserade härmar av jonkanaler eller cell-celllinkers. För detta drar de fördel av det faktum att DNA kan programmeras eller konstrueras för att självmontera till en förplanerad form genom komplementär basparning.
Transport av vesiklar längs DNA-baserade härmar av cytoskelettfilament inuti cellstorlek. Kredit:University of Stuttgart och Max-Planck-Institute for Medical Research
DNA-filament som syntetiskt cytoskelett
"Syntetiska DNA-strukturer kan möjliggöra mycket specifika och programmerade uppgifter såväl som mångsidiga designmöjligheter utöver vad som är tillgängligt från de biologiskt definierade verktygen. Speciellt kan den strukturella organisationen av DNA-strukturerna avvika från deras naturliga motsvarigheter, till och med överträffa funktionalitetens omfattning av naturliga system", säger Laura Na Liu, professor vid 2nd Physics Institute, University of Stuttgart.
Vidare hade forskarna Paul Rothemund, Elisa Franco och Rebecca Schulman redan varit framgångsrika med att sätta ihop DNA till filament i mikronskala, som utgör grunden för att bygga ett cytoskelett. Sedan dess har dessa filament utrustats med olika funktioner, såsom montering och demontering vid extern stimulering eller inuti ett fack. Forskare från universitetet i Stuttgart och MPI för medicinsk forskning har nu tagit nästa steg för att bygga en artificiell cell, genom att använda filamenten som ett syntetiskt cytoskelett och ge dem mångsidig funktionalitet.
"Det är spännande att vi också kan trigga sammansättningen av DNA-cytoskelettet med ATP - samma molekyl som celler använder för att driva olika mekanismer", säger Kerstin Göpfrich, Max Planck Research Group Leader vid MPI för medicinsk forskning.
Snabbar upp vesikeltransporten
Dessutom kunde teamet av forskare framkalla transport av vesikler längs filamenten med hjälp av den brända bromekanismen som introducerades av Khalid Salaita. Detta efterliknar vesikeltransporten längs delar av det naturliga cytoskelettet i celler, som kallas mikrotubuli. "Jämfört med transport i levande celler går transporten längs våra DNA-filament fortfarande långsamt. Att påskynda den kommer att vara en utmaning för framtiden", säger Kevin Jahnke, delad förstaförfattare till uppsatsen och postdoc i Kerstin Göpfrichs grupp vid MPIMR.
Pengfei Zhan, postdoc i gruppen ledd av professor Laura Na Liu i Stuttgart, tillägger:"Det var också en utmaning att finjustera energilandskapet för DNA-nanostrukturens monterings- och demonteringsförmåga av filamenten." I framtiden kommer funktionalisering av DNA-filamenten att vara avgörande för att efterlikna naturliga celler ännu bättre. Därigenom kan forskare skapa syntetiska celler för att studera cellulära mekanismer i större detalj eller utveckla nya terapeutiska metoder. + Utforska vidare
