Células sintéticas para interactuar con la materia viva
Podrían utilizarse para estudiar cuestiones biológicas complejas o para desarrollar nuevos conceptos en biomedicina
Los científicos del DWI - Instituto Leibniz de Materiales Interactivos han dado un paso más hacia el objetivo de producir células sintéticas funcionales. El grupo de investigación está sondeando los ingredientes necesarios para el diseño y desarrollo de materiales con capacidad para comunicarse y funcionar con la materia viva. Tales materiales sirven para estudiar y desarrollar superficies antimicrobianas o revestimientos que interactúen con la sangre, por ejemplo. La investigación en el DWI fue dirigida por el antiguo jefe del grupo de trabajo, César Rodríguez-Emmenegger, que ahora es profesor en el IBEC de Barcelona. Han publicado sus nuevos conocimientos en las revistas Advanced Materials y Advanced Science.
Un resumen gráfico de las dos publicaciones
Wagner und Quandt (DWI)
Producir células sintéticas en el laboratorio, con la capacidad de imitar el comportamiento biológico y realizar funciones más allá de la vida, es uno de los mayores retos en el campo de los materiales interactivos bioinspirados. Las funciones centrales del comportamiento biológico son, por ejemplo, el transporte de moléculas, las funciones metabólicas, el crecimiento e, idealmente, la replicación mediante la división celular. Las imitaciones de células que cumplen una o varias de estas funciones se denominan protocélulas. En el futuro, podrían utilizarse para estudiar cuestiones biológicas complejas, abrir nuevos conceptos en biomedicina y ayudar a desarrollar nuevos biomateriales, terapias y dispositivos médicos. Un requisito indispensable para el desarrollo de estas protocélulas es la capacidad de combinar componentes celulares funcionales y activos, así como maquinaria celular activa, con componentes sintéticos. En el grupo de César Rodríguez-Emmenegger, los científicos del DWI han dado un paso más hacia la consecución de estos objetivos.
En la publicación en Advanced Materials, el equipo de investigación presenta la integración con éxito, de la maquinaria de división celular activa (divisoma) en vesículas sintéticas. Un divisoma consiste en un sistema proteico muy complejo que se encarga de la división celular en las bacterias formando un anillo en el centro de la célula, que luego se contrae y corta la bacteria en dos células hijas de idéntico tamaño. Para que el divisoma funcione, tiene que interactuar con la membrana de la célula sintética con la misma fuerza y dinámica que con las membranas naturales, un reto no logrado hasta ahora. Los investigadores diseñaron nuevos bloques de construcción macromoleculares y los programaron para que se ensamblaran en la membrana e interactuaran con el divisoma de una manera predeterminada. Este enfoque permitió al equipo de investigación reproducir con precisión el comportamiento del divisoma en células sintéticas. "El primer paso de nuestro proyecto de investigación fue producir bloques de construcción de membrana sintéticos adecuados. Decidimos utilizar una nueva familia de dendrímeros Janus que se ensamblan en estructuras vesiculares llamadas dendrimersomas. Los dendrímeros Janus son macromoléculas que tienen un núcleo ramificado y dos ramas opuestas con diferentes grupos químicos funcionales. Como podemos determinar estos grupos nosotros mismos, somos capaces de diseñar la forma y las propiedades de las macromoléculas para permitir la reconstitución del divisoma dentro de la vesícula", explica Anna Maria Wagner, estudiante de doctorado y coprimera autora de la publicación.
Hasta ahora, la reconstitución de complejos como las maquinarias de división celular se ha limitado a aplicaciones en liposomas, vesículas naturales hechas de lípidos. Con este trabajo, el equipo de investigación demuestra por primera vez que estas unidades naturales pueden incorporarse a dendrimersomas totalmente sintéticos sin perder su funcionalidad básica. Esto representa un avance impactante para la construcción de células sintéticas con componentes biológicos, ya que la adaptación de las interacciones membrana-divisoma es clave para la evolución del comportamiento biológico emergente.
Además, como parte de su trabajo sobre las protocélulas, el equipo del Prof. Rodríguez-Emmenegger está interesado en desarrollar nuevas imitaciones de membranas celulares sintéticas capaces de realizar tareas inspiradas en las funciones celulares y más allá de ellas. Recientemente, junto con el profesor Herrmann, vicedirector científico del DWI, publicaron un novedoso sistema para ello en la revista Advanced Science, en la que informan del desarrollo de polímeros en peine enlazados iónicamente que se autoensamblan en el agua en vesículas con un grosor de membrana biomimético, que denominaron combisomas iónicos (i-combisomas).
"Los i-combisomas son un excelente ejemplo de cómo pueden realizarse sistemas con propiedades a medida mediante un diseño molecular preciso y una programación dirigida del tipo y la fuerza de las interacciones moleculares", explica Jonas Quandt, estudiante de doctorado en el DWI. "Nuestro sistema puede entenderse como un análogo macromolecular de los fosfolípidos, que son los componentes básicos de la membrana celular natural. Consiste en un andamio polimérico hidrofílico al que unimos colas lipídicas hidrofóbicas mediante interacciones iónicas. Al utilizar el andamiaje polimérico como ancla para las colas lipídicas, aumentamos la estabilidad de los i-combisomas en comparación con los liposomas. Esta disposición molecular única permite la flexibilidad y la dinámica como en la membrana natural".
En su trabajo, los científicos pudieron demostrar que la topología única de la membrana da lugar a propiedades biofísicas similares a las de la membrana celular natural y permite la integración perfecta de componentes funcionales de las membranas naturales. Esto incluye el ensamblaje con (glico)lípidos y péptidos formadores de poros, que permiten el transporte de iones a través de la membrana. Además, los científicos fueron capaces de crear híbridos bacteria-combisoma capturando células bacterianas vivas e integrando su periferia celular en la membrana sintética. Esta fusión de membranas sintéticas y biológicas nunca se había observado antes de esta manera.
El alto grado de semejanza de los i-combisomas, la posibilidad de ajustar la composición química y biológica de la membrana y la capacidad de fusionarse con materia viva pueden dar lugar a células sintéticas con funciones mejoradas. Éstas podrían utilizarse para estudiar cuestiones biológicas complejas o para desarrollar nuevos conceptos en biomedicina y proporcionar una plataforma para la administración de fármacos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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