Video microscopía que muestra que las células artificiales imitan la ingestión de bacterias E. coli. Crédito: Sacanna Lab/NYU.
Las células artificiales mimetizan las funciones vitales de las células
9 de septiembre de 2021 | Historia original de la Universidad de Nueva York
Los investigadores han desarrollado estructuras artificiales similares a células que utilizan materia inorgánica que ingiere, procesa y expulsa material de forma autónoma, recreando una función esencial de las células vivas.
Su artículo, publicado en Nature, proporciona un plan para crear “imitaciones celulares”, con aplicaciones potenciales que van desde la administración de medicamentos hasta la ciencia ambiental.
Una función fundamental de las células vivas es su capacidad para recolectar energía del medio ambiente para bombear moléculas dentro y fuera de sus sistemas. Cuando se utiliza energía para mover estas moléculas de áreas de menor concentración a áreas de mayor concentración, el proceso se llama transporte activo. El transporte activo permite a las células tomar moléculas necesarias como la glucosa o los aminoácidos, almacenar energía y extraer desechos.
Durante décadas, los investigadores han estado trabajando para crear células artificiales, estructuras microscópicas diseñadas para emular las características y el comportamiento de las células vivas. Pero estos imitadores celulares tienden a carecer de la capacidad de realizar procesos celulares complejos como el transporte activo.
En el estudio de Nature,los investigadores de la Universidad de Nueva York y la Universidad de Chicago describen un nuevo imitador celular totalmente sintético que está un paso más cerca de replicar la función de las células vivas. Cuando se despliega en mezclas de diferentes partículas, los imitadores celulares pueden realizar tareas de transporte activo capturando, concentrando, almacenando y entregando carga microscópica de forma autónoma. Estas células artificiales se fabrican utilizando ingredientes mínimos y no toman prestados materiales de la biología.
Para diseñar los imitadores celulares, los investigadores crearon una membrana esférica del tamaño de un glóbulo rojo utilizando un polímero, un sustituto de la membrana celular que controla lo que entra y sale de una célula. Perforaron la membrana esférica,creando un orificio microscópico, un nanocanal a través del cual se puede intercambiar materia, imitando las proteínas canal de una célula.
Pero para realizar las tareas requeridas para el transporte activo, la célula imita un mecanismo para alimentar la estructura, similar a la célula para atraer y expulsar material. En una célula viva, las mitocondrias y el ATP proporcionan la energía necesaria para el transporte activo. En la imitación celular, los investigadores agregaron un componente químicamente reactivo dentro del nanocanal que, cuando se activa con la luz, actúa como una bomba. Cuando la luz impacta sobre la bomba, desencadena una reacción química, convirtiendo la bomba en un pequeño vacío y tirando de la carga hacia la membrana. Cuando la bomba se apaga, la carga queda atrapada y procesada dentro de la celda. Y cuando la reacción química se invierte, la carga es expulsada bajo demanda.
“Nuestro concepto de diseño permite que estos imitadores de células artificiales operen de forma autónoma y realicen tareas de transporte activo que hasta ahora se han limitado al ámbito de las células vivas”, explicó Stefano Sacanna,profesor asociado de química en la Universidad de Nueva York y autor principal del estudio. “En el corazón del diseño de la estructura celular está la sinergia entre un elemento activo que lo alimenta desde el interior y las restricciones físicas impuestas por las membranas celulares, lo que les permite ingerir, procesar y expulsar cuerpos extraños”.
Los investigadores probaron los imitadores celulares en diferentes entornos. En un experimento, suspendieron los imitadores celulares en agua, los activaron con luz y los observaron ingiriendo partículas o impurezas del agua que los rodeaba, lo que ilustra una aplicación potencial para limpiar los contaminantes microscópicos del agua.
“Se debe pensar en los imitadores celulares como el videojuego PAC-MAN: van por ahí comiendo los contaminantes y eliminándolos del medio ambiente”, explicó Sacanna.
En otro experimento, demostraron que los imitadores celulares pueden ingerir bacterias E. coliy atraparlas dentro de la membrana, ofreciendo potencialmente un nuevo método para combatir las bacterias en el cuerpo. Otra aplicación futura para los imitadores celulares podría ser la administración de fármacos, dado que pueden liberar una sustancia precargada cuando se activan.
Los investigadores continúan desarrollando y estudiando imitaciones celulares, incluida la construcción de otras que realizan diferentes tareas y el aprendizaje de cómo los diferentes tipos se comunican entre sí.
Referencia
Xu Z, Hueckel T, Irvine WTM, Sacanna S. Transmembrane transport in inorganic colloidal cell-mimics. Nature. 2021;597(7875):220-224. doi: 10.1038/s41586-021-03774-y.
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