Scienza: cellula sintetica reagisce a stimoli e rompe simmetria

Costruita la prima cellula sintetica minima che segue un indizio chimico esterno e dimostra un principio fondamentale della biologia chiamato “rottura della simmetria”. A riuscire nell’impresa, volta a capire come si muovono le cellule e a creare nuovi modi per trasportare i farmaci nel corpo, gli scienziati del Johns Hopkins Medicine. I risultati sono pubblicati su Science Advances. Una fase che precede il movimento di una cellula, la rottura della simmetria, avviene quando le molecole di una cellula, inizialmente disposte in modo simmetrico, si riorganizzano in un modello o in una forma asimmetrica, di solito in risposta a stimoli. Ciò è simile al modo in cui gli uccelli migratori rompono la simmetria quando si spostano in una nuova formazione in risposta a una bussola ambientale come la luce del sole o i punti di riferimento. A livello microscopico, le cellule immunitarie percepiscono i segnali chimici concentrati in un sito di infezione e rompono la simmetria per attraversare la parete di un vaso sanguigno e raggiungere il tessuto infetto.
Quando le cellule rompono la simmetria, si trasformano in strutture polarizzate e asimmetriche che le preparano a muoversi verso il loro obiettivo. “La nozione di rottura della simmetria è fondamentale per la vita e ha un impatto su campi diversi come la biologia, la fisica e la cosmologia”, ha detto Shiva Razavi, che ha condotto la ricerca come studente laureato alla Johns Hopkins e ora è borsista post-dottorato al Massachusetts Institute of Technology. “Capire come funziona la rottura della simmetria è fondamentale per sbloccare i fondamenti della biologia e scoprire come sfruttare queste informazioni per ideare terapie”, ha continuato Razavi. Trovare il modo di imitare e controllare la rottura della simmetria in cellule sintetiche è stato a lungo considerato essenziale per capire come le cellule possano esaminare il loro ambiente chimico e riorganizzare il loro profilo chimico e la loro forma in risposta. Per questo studio gli scienziati hanno creato una vescicola gigante con una membrana a doppio strato, ovvero una cellula sintetica o protocellula semplificata, fatta di fosfolipidi, proteine purificate, sali e ATP che fornisce energia. A causa della sua forma sferica, la protocellula è stata soprannominata “la bolla”. Nel corso degli esperimenti, gli scienziati sono riusciti a ingegnerizzare la protocellula con una capacità di rilevamento chimico che la spinge a rompere la simmetria, passando da una sfera quasi perfetta a una forma irregolare. Il sistema è stato progettato specificamente per imitare il primo passo di una risposta immunitaria, in grado di segnalare ai neutrofili di attaccare i germi in base alle proteine che percepiscono intorno a loro, dicono i ricercatori.“Il nostro studio dimostra come un’entità simile a una cellula possa percepire la direzione di un indizio chimico esterno, imitando le condizioni che si trovano in un organismo vivente”, ha dichiarato Razavi. “Costruendo una struttura simile a una cellula da zero, possiamo identificare e comprendere meglio i componenti essenziali necessari a una cellula per rompere la simmetria nella sua forma più semplificata”, ha proseguito Razavi. Secondo gli scienziati, un giorno il rilevamento chimico potrebbe essere utilizzato per la somministrazione mirata di farmaci all’interno del corpo. “L’idea è che si possa impacchettare qualsiasi cosa si voglia in queste bolle, che sono proteine, RNA, DNA, coloranti o piccole molecole, dire alla cellula dove andare usando il rilevamento chimico, e poi far scoppiare la cellula vicino al bersaglio previsto in modo da rilasciare un farmaco”, ha spiegato Takanari Inoue, professore di biologia cellulare e direttore del Center for Cell Dynamics della Johns Hopkins Medicine e autore dello studio. Per attivare la capacità di rilevamento chimico della vescicola, i ricercatori hanno inserito nella cellula sintetica due proteine che agiscono come interruttori molecolari, chiamate FKBP e FRB. La proteina FKBP è stata collocata al centro della cellula, mentre FRB è stata posta sulla membrana. Quando gli scienziati hanno introdotto una sostanza chimica, la rapamicina, all’esterno della cellula a bolle, FKBP si è spostata sulla membrana per legarsi a FRB, innescando un processo chiamato polimerizzazione dell’actina, ovvero una riorganizzazione dello scheletro della cellula sintetica. All’interno della protocellula, la reazione chimica ha dato origine a una struttura a bastoncino composta da actina che ha esercitato una pressione sulla membrana cellulare, piegandola. Per registrare la capacità di rilevamento chimico delle protocellule, i ricercatori hanno utilizzato un tipo di imaging 3D rapido chiamato microscopia confocale; hanno dovuto registrare le immagini rapidamente, con una frequenza di un fotogramma ogni 15-30 secondi, poiché le protocellule rispondevano rapidamente al segnale chimico. In seguito, i ricercatori intendono dotare queste cellule sintetiche della capacità di muoversi verso un bersaglio desiderato.
In definitiva, i ricercatori sperano di progettare cellule sintetiche che potrebbero avere applicazioni potenziali significative nella somministrazione mirata di farmaci, nel rilevamento ambientale e in altri settori in cui il movimento preciso e la risposta agli stimoli sono cruciali. (AGI)