Nie ma DNA, nie ma białek motorycznych, nie ma wici ani cytoszkieletu – a mimo to potrafi poruszać się celowo w stronę pożywki. Zespół naukowców z Instytutu Bioinżynierii Katalonii (IBEC) skonstruował sztuczną komórkę, która samodzielnie nawigując w środowisku chemicznym, przypomina zachowaniem żywe organizmy. To kamień milowy w syntetycznej biologii – dowód na to, że celowy ruch można osiągnąć dzięki zaledwie trzem komponentom: błonie lipidowej, enzymowi i porom komórkowym.
Jak wprawić w ruch komórkę?
Badania opublikowane na łamach Science Advances dokumentują stworzenie tzw. minimalnej komórki – mikroskopijnej bańki (liposomu) otoczonej lipidową błoną, wewnątrz której umieszczono enzym (glukozooksydazę lub ureazę). Kluczowym elementem był również specjalny por błonowy, który umożliwia transport substratów i produktów reakcji chemicznych pomiędzy wnętrzem sztucznej komórki a jej otoczeniem.
Czytaj też: Czy będą teraz tego uczyć w szkole? Odkryto nowe organellum komórkowe!
W reakcji z zewnętrznym źródłem glukozy lub mocznika enzymy generowały produkty metaboliczne, które przez pory przedostawały się na zewnątrz, tworząc asymetryczny gradient stężeń wokół liposomu. To właśnie ta asymetria generowała przepływ cieczy wzdłuż błony komórkowej i napędzała ruch cząsteczki – efekt podobny do naturalnej chemotaksji, czyli zdolności przemieszczania się w stronę lub od określonego bodźca chemicznego.
Dr Bárbara Borges Fernandes z IBEC i Uniwersytetu Barcelońskiego mówi:
To, co nas najbardziej fascynuje, to fakt, że ten typ ukierunkowanego ruchu może zachodzić bez udziału złożonych struktur biologicznych – bez rzęsek, receptorów czy skomplikowanych ścieżek sygnałowych. Udało się nam odtworzyć to w ekstremalnie uproszczonym systemie, by zrozumieć fundamentalne zasady, które czynią taki ruch możliwym.
Zespół prof. Giuseppe Battaglii, szefa grupy Molecular Bionics w IBEC, od lat stara się dekodować minimalne warunki niezbędne do uruchomienia “życia” – rozumianego jako zdolność do reagowania na środowisko w sposób funkcjonalny. Tym razem udało im się zredukować system do zaledwie trzech komponentów: lipidowej błony, jednego enzymu i jednego poru.
Prof. Giuseppe Battaglia dodaje:
Obserwuj, jak porusza się liposom. Naprawdę się przyjrzyj. Ta maleńka bańka skrywa sekret: jak komórki szepczą do siebie, jak transportują ładunek życia. Biologia jest głośna – za dużo elementów! Więc oszukujemy. Odtwarzamy ten taniec za pomocą trzech składników. I nagle wszystko staje się jasne. To potęga syntetycznej biologii: rozebrać zagadkę do kości i zobaczyć elegancję ukrytą w chaosie.
Chemotaksja jako wzór
W świecie przyrody chemotaksja to jedno z najbardziej podstawowych zachowań: bakterie wykorzystują ją do odnajdywania źródeł pożywienia, leukocyty kierują się nią do miejsc infekcji, a plemniki – do komórki jajowej. Klasycznie wiąże się ona z obecnością kompleksowych systemów sensorycznych i struktur napędowych, jak wici. Tymczasem badacze z IBEC udowodnili, że można uzyskać ten sam efekt jedynie poprzez przemyślaną inżynierię chemiczną.
Czytaj też: Żywe komórki mózgu w komputerze. Australijczycy dokonali niemożliwego
Eksperymenty przeprowadzono w precyzyjnie zaprojektowanych kanałach mikroprzepływowych, gdzie śledzono zachowanie ponad 10 000 liposomów wystawionych na gradient stężeń glukozy lub mocznika. Zmieniając liczbę porów błonowych w poszczególnych liposomach, zespół mógł ocenić wpływ tego parametru na kierunek i efektywność ruchu.
Okazało się, że liposomy pozbawione porów poruszały się pasywnie w stronę niższych stężeń – zachowując się jak cząstki bierne. Natomiast te zawierające pory – im więcej ich miały – tym silniej wykazywały chemotaksję, przemieszczając się w stronę wyższych stężeń substratu. Wraz ze wzrostem liczby porów kierunek ruchu całkowicie się odwracał – od biernego dryfu ku aktywnej, ukierunkowanej nawigacji.
Odkrycie nie tylko ujawnia podstawowe zasady, które umożliwiają ruch i komunikację w komórkach, ale także stanowi praktyczną mapę dla przyszłych technologii. Takie minimalne systemy mogą znaleźć zastosowanie w dostarczaniu leków bez potrzeby skomplikowanej inżynierii biologicznej – wystarczy odpowiedni substrat, enzym i błona. Potencjalnie, mogą posłużyć jako biosensory lub autonomiczne nanoboty medyczne reagujące na zmiany chemiczne w organizmie.
Jak podkreślają autorzy, systemy tego typu przypominają “mapy nawigacyjne natury” – nie kopiują dokładnie rozwiązań biologicznych, ale ujawniają ich najprostsze zasady, które można wykorzystać w nowym kontekście technologicznym.
Projekt powstał dzięki międzynarodowej współpracy z zespołem prof. José Miguela Rubí z Uniwersytetu Barcelońskiego, który odpowiadał za modelowanie teoretyczne układu. W badaniach uczestniczyły także zespoły z University College London (Wydział Chemii i Institute for the Physics of Living Systems), University of Liverpool, Biofisika Institute (CSIC-UPV/EHU) oraz Ikerbasque Foundation for Science. Dzięki połączeniu eksperymentów i modelowania teoretycznego udało się nie tylko wykazać skuteczność systemu, ale też matematycznie opisać mechanizmy, które za nim stoją – co w przyszłości pozwoli na jego skalowanie, optymalizację i zastosowanie w innych środowiskach chemicznych.
W stronę życia syntetycznego?
Choć opisywana “komórka” nie spełnia definicji życia – nie dzieli się, nie ma materiału genetycznego, nie metabolizuje w tradycyjnym sensie – jej zdolność do ruchu i reagowania na bodźce chemiczne czyni ją wyjątkowym przykładem funkcjonalności przypisywanej żywym organizmom. W świecie syntetycznej biologii to nie struktura, lecz zachowanie definiuje “życie” – i pod tym względem minimalna komórka IBEC zasługuje na miano najprostszego “żywego” układu, jaki kiedykolwiek stworzono.