Des cellules synthétiques pour interagir avec la matière vivante
Ils pourraient être utilisés pour étudier des questions biologiques complexes ou pour développer de nouveaux concepts en biomédecine
Les scientifiques du DWI (Leibniz Institute for Interactive Materials) se sont rapprochés de l'objectif de produire des cellules synthétiques fonctionnelles. Le groupe de recherche étudie les ingrédients nécessaires à la conception et au développement de matériaux capables de communiquer et de fonctionner avec la matière vivante. De tels matériaux sont utilisés pour étudier et développer des surfaces antimicrobiennes ou des revêtements qui interagissent avec le sang par exemple. Les recherches menées au DWI ont été dirigées par l'ancien chef du groupe de travail, César Rodriguez-Emmenegger, qui est maintenant professeur à l'IBEC de Barcelone. Ils ont publié leurs nouvelles connaissances dans les revues Advanced Materials et Advanced Science.
Un résumé graphique des deux publications
Wagner und Quandt (DWI)
Produire des cellules synthétiques en laboratoire, capables d'imiter le comportement biologique et d'accomplir des fonctions au-delà de la vie, est l'un des plus grands défis dans le domaine des matériaux interactifs bioinspirés. Les fonctions centrales du comportement biologique sont, par exemple, le transport de molécules, les fonctions métaboliques, la croissance et, idéalement, la réplication par la division cellulaire. Les imitations de cellules qui remplissent une ou plusieurs de ces fonctions sont appelées protocellules. À l'avenir, elles pourraient être utilisées pour étudier des questions biologiques complexes, ouvrir de nouveaux concepts en biomédecine et contribuer à l'élaboration de nouveaux biomatériaux, thérapeutiques et dispositifs médicaux. Une condition préalable indispensable au développement de ces protocellules est la capacité de combiner des composants cellulaires fonctionnels et actifs ainsi que des mécanismes cellulaires actifs avec des composants synthétiques. Dans le groupe de César Rodriguez-Emmenegger, les scientifiques du DWI ont fait un pas de plus vers la réalisation de ces objectifs.
Dans une publication parue dans Advanced Materials, l'équipe de recherche présente l'intégration réussie de la machinerie active de la division cellulaire (divisome) dans des vésicules synthétiques. Le divisome est un système protéique très complexe qui est responsable de la division cellulaire chez les bactéries en formant un anneau au milieu de la cellule, qui se resserre ensuite et coupe la bactérie en deux cellules filles de taille identique. Pour que le divisome fonctionne, il doit interagir avec la membrane de la cellule synthétique avec la même force et la même dynamique qu'avec les membranes naturelles, un défi encore jamais relevé. Les chercheurs ont conçu de nouveaux blocs de construction macromoléculaires et les ont programmés pour qu'ils s'assemblent dans la membrane et interagissent avec le divisome d'une manière prédéterminée. Cette approche a permis à l'équipe de recherche de reproduire avec précision le comportement du divisome dans des cellules synthétiques. "La première étape de notre projet de recherche consistait à produire des blocs de construction membranaires synthétiques appropriés. Nous avons décidé d'utiliser une nouvelle famille de dendrimères de Janus qui s'assemblent en structures vésiculaires appelées dendrimersomes. Les dendrimères de Janus sont des macromolécules qui ont un noyau ramifié et deux branches opposées avec des groupes chimiques fonctionnels différents. Comme nous pouvons déterminer ces groupes nous-mêmes, nous sommes en mesure de concevoir la forme et les propriétés des macromolécules pour permettre la reconstitution du divisome dans la vésicule", explique Anna Maria Wagner, doctorante et co-auteur principal de la publication.
Jusqu'à présent, la reconstitution de complexes tels que les machineries de division cellulaire était limitée aux applications dans les liposomes, des vésicules naturelles constituées de lipides. Avec ce travail, l'équipe de recherche prouve pour la première fois que ces unités naturelles peuvent être incorporées dans des dendrimersomes entièrement synthétiques sans perdre leur fonctionnalité de base. Cela représente une percée importante pour la construction de cellules synthétiques avec des composants biologiques, car l'adaptation des interactions membrane-divisome est essentielle à l'évolution du comportement biologique émergent.
En outre, dans le cadre de ses travaux sur les protocellules, l'équipe du professeur Rodriguez-Emmenegger s'intéresse au développement de nouvelles membranes cellulaires synthétiques capables d'accomplir des tâches inspirées des fonctions cellulaires et allant au-delà. Récemment, avec le professeur Herrmann, vice-directeur scientifique du DWI, ils ont publié un nouveau système à cet effet dans la revue Advanced Science, dans laquelle ils rapportent le développement de polymères en peigne liés ioniquement qui s'auto-assemblent dans l'eau en vésicules avec une épaisseur de membrane biomimétique, qu'ils ont nommées combisomes ioniques (i-combisomes).
"Les i-combisomes sont un excellent exemple de la manière dont des systèmes aux propriétés sur mesure peuvent être réalisés par une conception moléculaire précise et une programmation ciblée du type et de la force des interactions moléculaires", explique Jonas Quandt, doctorant au DWI. "Notre système peut être considéré comme un analogue macromoléculaire des phospholipides, qui sont les éléments constitutifs de la membrane cellulaire naturelle. Il se compose d'une structure polymère hydrophile à laquelle nous attachons des queues hydrophobes de type lipidique par des interactions ioniques. En utilisant l'échafaudage polymère comme point d'ancrage pour les queues de type lipidique, nous augmentons la stabilité des i-combisomes par rapport aux liposomes. Un tel arrangement moléculaire unique permet la flexibilité et la dynamique comme dans la membrane naturelle."
Dans leurs travaux, les scientifiques ont pu montrer que la topologie unique de la membrane conduit à des propriétés biophysiques similaires à celles de la membrane cellulaire naturelle et permet l'intégration sans faille de composants fonctionnels des membranes naturelles. Il s'agit notamment du co-assemblage avec des (glyco)lipides et des peptides formant des pores, qui permettent le transport des ions à travers la membrane. En outre, les scientifiques ont pu créer des hybrides bactéries-combisomes en capturant des cellules bactériennes vivantes et en intégrant leur périphérie cellulaire dans la membrane synthétique. Une telle fusion de membranes synthétiques et biologiques n'a jamais été observée auparavant de cette manière.
Le haut degré de ressemblance des i-combisomes, l'accordabilité de la composition chimique et biologique de la membrane et la capacité de fusionner avec la matière vivante peuvent potentiellement conduire à des cellules synthétiques aux fonctions améliorées. Celles-ci pourraient être utilisées pour étudier des questions biologiques complexes ou pour développer de nouveaux concepts en biomédecine et fournir une plateforme pour l'administration de médicaments.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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