Protoceller - konstgjorda celler - som är aktiva och efterliknar levande celler genom att röra sig oberoende och som är biokompatibla och enzymatiskt aktiva är nu möjliga med en förbättrad metod utvecklad av forskare från Penn State.

Levande celler är svåra att odla i laboratoriet, så forskare arbetar ibland med syntetiska celler, men dessa har haft forskningsbegränsningar eftersom de saknar riktiga cellegenskaper.

"En av utmaningarna med cellforskning är att det ibland är väldigt svårt att köra kontrollerade experiment på en cells rörlighet, speciellt på grund av ytenzymaktivitet, sa Darrell Velegol, framstående professor i kemiteknik. "Forskargruppen utvecklade ett enkelt sätt att göra en konstgjord cell som inte gör allt en vanlig cell gör, som reproducera, har genetiska mutationer eller något liknande, men det rör sig aktivt. Det är viktigt eftersom hur celler rör sig är dåligt förstått, speciellt hur enzymers aktivitet spelar in i cellrörelser."

Teamets protoceller används för att undersöka hur aktiviteten hos naturliga enzymer som ATPase kan driva fram den aktiva rörelsen av protocellerna. Den biokemiska processen för ATPase-enzym involverar omvandling av ATP (adenosintrifosfat) till produkten ADP (adenosindifosfat). ATP är en komplex organisk kemikalie som ger energi till levande celler och ADP är en organisk förening som spelar en viktig roll i hur celler frigör och lagrar energi.

"Försök med liknande experiment under det senaste decenniet hade enzymerna inkorporerade i mikronstora säckar som kallas polymervesiklar, eller bundna på ytan av hårda partiklar, " sa Subhadip Ghosh, postdoktor i kemi. "Men dessa försök hade inte signifikant biologisk likhet som våra protoceller."

I forskargruppens experiment, protocellerna har faktiska konstgjorda membran som består av en naturligt förekommande lipid som kallas fosfatidylkolin. ATPas-enzymerna införlivades direkt i membranet.

"Våra resultat ger i princip andra forskare de första stegen mot att göra konstgjorda celler med enzymatisk aktivitet, " sa Ghosh.

Ett oväntat resultat från studien, som gjordes tillgänglig online i augusti 2019 före den slutliga publiceringen den 11 september, 2019 i ett nummer av Nanobokstäver , hände under diffusionsexperiment som utfördes vid en enda molekylär regim. Som förväntat, rörelsen av protocellerna var låg för låga koncentrationer av ATP.

"Ganska överraskande, rörelsen av protocellerna minskade signifikant vid hög koncentration av ATP, " sade Ayusman Sen, Verne M. Willaman professor i kemi vid Penn State.

Enligt forskarna, detta var lika kontraintuitivt som att trycka på en bils gaspedal och låta fordonet sakta ner. Efter att ha utfört omfattande kontrollexperiment, forskarna drog slutsatsen att när ADP-koncentrationen är hög, det kan binda till ATPaset och undertrycka substratets ATP-aktivitet, orsakar nedsatt rörlighet.

Att ha förmågan att tillverka de enzymatiskt aktiva protocellerna öppnar nya möjligheter. Beväpnad med dessa härmar av rörliga levande celler, forskarna syftar till att avslöja de grundläggande mekanismerna som styr aktiv membrandynamik och cellulär rörelse. Med tanke på den nuvarande begränsade förståelsen av hur celler rör sig, inklusive hur enzymverkan spelar in i cellrörelser, forskargruppens medlemmar tror att deras arbete kan få betydande konsekvenser för framtida medicinsk forskning.

"En viktig utmaning är att uppskatta de mekaniska krafterna som driver protocellens rörelse, och att upptäcka förändringar i enzymstrukturen under den processen, sa Farzad Mohajerani, forskningsassistent i kemiteknik. "Att veta att struktur-funktionsförhållandet för rörelsen av protocellerna kommer att möjliggöra deras design för potentiella in vivo-applikationer som medicinsk avkänning och laboratorieanalys."