De synthetische cel (vetbolletje) met een porie (afb: Bárbara Borges-Fernandes et al./Science Advances)
Onderzoekers van het Catalaanse instituut voor biotechnologie (IBEC) zouden ’s werelds eenvoudigste kunstmatige cel hebben gecreëerd die in staat is tot ‘navigatie’ op basis van chemische omstandigheden en migreert naar plaatsen waar bepaalde stoffen aanwezig zijn zoals dat echte cellen dat doen. Maar deze ultrasimpele cel is nog een heel end af van wat een bacteriecel vermag (laat staan een eukaryote cel).
Het experiment zou tonen hoe microscopisch kleine belletjes geprogrammeerd kunnen worden om chemische sporen te volgen. De onderzoekers ontwierpen een wat heet minimale cel in de vorm van een vetbolletje dat enzymen inkapselt en zichzelf kan voortbewegen door middel van chemotaxis (beweging door verschillen in concentraties).
Celtransport is een essentieel aspect van veel biologische processen en een belangrijke mijlpaal in de evolutie. Van alle soorten beweging is chemotaxis een essentiële strategie die door veel levende systemen wordt gebruikt om zich te verplaatsen naar gunstige signalen, zoals voedingsstoffen, of om zich te verwijderen van schadelijke signalen.
“Bacteriën vertrouwen erop om voedsel te vinden, witte bloedcellen gebruiken het fenomeen om besmettingshaarden te bereiken en zelfs zaadcellen navigeren via chemotaxis naar de eicel”, legt Bárbara Borges Fernandes uit, promovendus bij het IBEC, maar kennelijk ook hoogleraar nanotechnologie aan de Faculteit Natuurkunde van de Universiteit van Barcelona en eerste auteur van de studie.
“Wat we bijzonder fascinerend vinden, is dat dit type gerichte beweging zelfs kan plaatsvinden zonder de complexe machinerie die er doorgaans bij betrokken is, zoals flagella of ingewikkelde signaalroutes. Door het na te bootsen in een minimaal synthetisch systeem, willen we de kernprincipes blootleggen die dergelijke beweging mogelijk maken”, stelt ze.
Complexere structuren
Het kunnen ontwikkelen van een kunstmatige cel zou wetenschappers kunnen helpen beter te begrijpen hoe celeenheden de verdere evolutie naar complexere structuren aansturen. “Deze synthetische cellen zijn als blauwdrukken voor het navigatiesysteem van de natuur”, zegt hoofdauteur Giuseppe Battaglia van het IBEC, hoofdonderzoeker van de groep moleculaire bionica. “Bouw eenvoudig, begrijp diepgaand.”
Om dit te bereiken, bestudeerde onderzoeksters hoe celachtige blaasjes zich bewegen in gradiënten van twee substraten: glucose en ureum. Ze omsloten glucoseoxidase- of urease-enzymen in vetblaasjes, liposomen genaamd, om glucose en ureum om te zetten in hun respectievelijke eindproducten.
De liposomen werden vervolgens gemodificeerd door een essentieel membraanporie-eiwit toe te voegen. Dit eiwit fungeert als kanaal voor substraten om de synthetische cel binnen te komen en voor de producten van de reacties om deze te verlaten.
Actieve beweging kan ontstaan door het verbreken van symmetrie. Door de enzymen in het deeltje op te sluiten en de poriën als primaire uitwisselingspunten te gebruiken, ontstaat er een verschil in chemische concentratie rond het deeltje. Dit veroorzaakt vloeistofstroming langs het oppervlak van het blaasje en stuurt de beweging van het deeltje. Het is alsof het liposoom een boot is, en de porie en het enzym de motor en het navigatiesysteem.
De onderzoeksters analyseerden het transport van meer dan 10 000 blaasjes in microfluïdische kanalen met glucose- of ureasegradiënten om het gedrag bolletjes te begrijpen. Ze bestudeerden de trajecten van blaasjes met een wisselend aantal poriën en vergeleken deze met die van controleblaasjes zonder poriën.
Borges: “We zien dat de controleblaasjes naar lagere substraatconcentraties bewegen als gevolg van passieve effecten anders dan chemotaxis. Naarmate het aantal poriën in de blaasjes toeneemt, neemt ook de chemotactische component toe. Uiteindelijk keert dit de bewegingsrichting om, waardoor de blaasjes zich naar gebieden met hogere substraatconcentraties bewegen.”
De onderzoeksters noemen de resultaten veelbelovend vanuit biochemisch perspectief, omdat de bestudeerde elementen alomtegenwoordig zijn in de structuur van een grote meerderheid van de cellen.
Bron: phys.org