I en ny studie publicerad i Nature Chemistry , UNC-Chapel Hill-forskaren Ronit Freeman och hennes kollegor beskriver de steg de tog för att manipulera DNA och proteiner – livsviktiga byggstenar – för att skapa celler som ser ut och fungerar som celler från kroppen. Denna prestation, en första på området, har konsekvenser för insatser inom regenerativ medicin, läkemedelsleveranssystem och diagnostiska verktyg.

"Med den här upptäckten kan vi tänka på tekniska tyger eller vävnader som kan vara känsliga för förändringar i sin omgivning och uppträda på ett dynamiskt sätt", säger Freeman, vars labb är i Applied Physical Sciences Department vid UNC College of Arts and Sciences.

Celler och vävnader är gjorda av proteiner som går samman för att utföra uppgifter och skapa strukturer. Proteiner är viktiga för att bilda ramverket för en cell, kallat cytoskelettet. Utan det skulle cellerna inte kunna fungera. Cytoskelettet tillåter celler att vara flexibla, både i form och som svar på sin miljö.

Utan att använda naturliga proteiner byggde Freeman Lab celler med funktionella cytoskelett som kan ändra form och reagera på sin omgivning. För att göra detta använde de en ny programmerbar peptid-DNA-teknik som styr peptider, proteiners byggstenar och återanvänt genetiskt material att arbeta tillsammans för att bilda ett cytoskelett.

"DNA visas normalt inte i ett cytoskelett," säger Freeman. "Vi omprogrammerade sekvenser av DNA så att det fungerar som ett arkitektoniskt material som binder samman peptiderna. När det här programmerade materialet väl placerats i en vattendroppe tog strukturerna form."

Förmågan att programmera DNA på detta sätt innebär att forskare kan skapa celler för att fylla specifika funktioner och till och med finjustera en cells svar på yttre stressfaktorer. Även om levande celler är mer komplexa än de syntetiska som skapats av Freeman Lab, är de också mer oförutsägbara och mer mottagliga för fientliga miljöer, som svåra temperaturer.

"De syntetiska cellerna var stabila även vid 122 grader Fahrenheit, vilket öppnade för möjligheten att tillverka celler med extraordinära kapaciteter i miljöer som normalt inte är lämpliga för mänskligt liv", säger Freeman.

Istället för att skapa material som är gjorda för att hålla, säger Freeman att deras material är gjorda för uppgiften – utföra en specifik funktion och sedan modifiera sig själva för att fylla en ny funktion. Deras tillämpning kan anpassas genom att lägga till olika peptid- eller DNA-designer för att programmera celler i material som tyger eller vävnader. Dessa nya material kan integreras med andra syntetiska cellteknologier, alla med potentiella tillämpningar som kan revolutionera områden som bioteknik och medicin.

"Denna forskning hjälper oss att förstå vad som gör livet," säger Freeman. "Denna syntetiska cellteknik kommer inte bara att göra det möjligt för oss att reproducera vad naturen gör, utan också göra material som överträffar biologi."

Mer information: Margaret L. Daly et al, Designer peptid-DNA cytoskelett reglerar funktionen av syntetiska celler, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01509-w

Journalinformation: Naturkemi

Tillhandahålls av University of North Carolina vid Chapel Hill