Create cellule artificiali che imitano la capacità delle cellule viventi di catturare, elaborare ed espellere materiale
I ricercatori della New York University e dell’Università di Chicago hanno sviluppato strutture simili a cellule artificiali utilizzando materia inorganica che ingerisce, elabora ed espelle autonomamente il materiale, ricreando una funzione essenziale delle cellule viventi. Il loro articolo, pubblicato su “Nature”, fornisce un modello per la creazione di “mimi cellulari”, con potenziali applicazioni che vanno dalla somministrazione di farmaci alla scienza ambientale. Una funzione fondamentale delle cellule viventi è la loro capacità di raccogliere energia dall’ambiente per pompare molecole dentro e fuori dai loro sistemi. Quando l’energia viene utilizzata per spostare queste molecole da aree di minore concentrazione ad aree di maggiore concentrazione, il processo è chiamato trasporto attivo. Il trasporto attivo consente alle cellule di assorbire le molecole necessarie come glucosio o amminoacidi, immagazzinare energia ed estrarre i rifiuti. Per decenni, i ricercatori hanno lavorato per creare cellule artificiali, strutture microscopiche ingegnerizzate che emulano le caratteristiche e il comportamento delle cellule biologiche. Ma questi imitatori cellulari tendono a non avere la capacità di eseguire processi cellulari complessi come il trasporto attivo.
Nello studio “Nature”, i ricercatori descrivono un nuovo mimetismo cellulare completamente sintetico che è un passo avanti verso la replica della funzione delle cellule viventi. Quando vengono dispiegate in miscele di particelle diverse, le imitazioni cellulari possono svolgere attività di trasporto attivo catturando, concentrando, immagazzinando e consegnando in modo autonomo carichi microscopici. Queste cellule artificiali sono fabbricate utilizzando ingredienti minimi e non prendono in prestito alcun materiale dalla biologia. Per progettare le imitazioni cellulari, i ricercatori hanno creato una membrana sferica delle dimensioni di un globulo rosso utilizzando un polimero, un sostituto della membrana cellulare che controlla ciò che entra ed esce da una cellula. Hanno praticato un foro microscopico nella membrana sferica creando un nanocanale attraverso il quale la materia può essere scambiata, imitando il canale proteico di una cellula. Ma per eseguire i compiti richiesti per il trasporto attivo, le imitazioni cellulari avevano bisogno di un meccanismo per alimentare la struttura simile a una cellula per attirare ed espellere il materiale. In una cellula vivente, i mitocondri e l’ATP forniscono l’energia necessaria per il trasporto attivo. Nel mimo cellulare, i ricercatori hanno aggiunto un componente chimicamente reattivo all’interno del nanocanale che, quando attivato dalla luce, funge da pompa. Quando la luce colpisce la pompa, innesca una reazione chimica, trasformando la pompa in un minuscolo vuoto e trascinando il carico nella membrana. Quando la pompa viene spenta, il carico viene intrappolato e processato all’interno della cella mimica. E quando la reazione chimica viene invertita, il carico viene espulso su richiesta.
“Il nostro concetto di design consente a questi imitatori di cellule artificiali di operare autonomamente ed eseguire attività di trasporto attivo che finora sono state confinate al regno delle cellule viventi”, ha affermato Stefano Sacanna, professore associato di chimica alla New York University e autore principale dello studio. “Al centro del design della struttura cellulare c’è la sinergia tra un elemento attivo che la alimenta dall’interno e i vincoli fisici imposti dalle pareti cellulari, consentendo loro di ingerire, elaborare ed espellere corpi estranei”. I ricercatori hanno testato le imitazioni cellulari in diversi ambienti. In un esperimento, hanno sospeso i mimi cellulari in acqua, li hanno attivati con la luce e li hanno osservati ingerire particelle o impurità dall’acqua che li circondava, illustrando una potenziale applicazione per la pulizia dall’acqua di inquinanti microscopici. “Pensa alle imitazioni cellulari come il videogioco PAC-MAN: vanno in giro a mangiare gli inquinanti e a rimuoverli dall’ambiente”, ha detto Sacanna.
In un altro esperimento, hanno dimostrato che le imitazioni cellulari possono ingoiare i batteri di E. coli e intrappolarli all’interno della membrana, offrendo potenzialmente un nuovo metodo per combattere i batteri nel corpo. Un’altra futura applicazione per i mimi cellulari potrebbe essere la somministrazione di farmaci, dato che possono rilasciare una sostanza precaricata quando attivati. I ricercatori stanno continuando a sviluppare e studiare imitazioni cellulari, inclusa la costruzione di quelle che svolgono compiti diversi e imparando come i diversi tipi comunicano tra loro. Oltre a Sacanna, gli autori dello studio includono Zhe Xu e Theodore Hueckel del Dipartimento di Chimica della NYU e William T.M. Irvine dell’Università di Chicago.
