Diseñando Células Sintéticas: Combinando Técnicas de Separación de Fases

Las células vivas son como pequeñas fábricas llenas de diferentes partes. Tienen muchas estructuras pequeñas llamadas orgánulos, que ayudan a la célula a llevar a cabo sus tareas. El interior de una célula está lleno de proteínas, azúcares y otras moléculas que están en constante movimiento e interactuando entre sí. Este ambiente bullicioso es crucial para la vida y función de la célula.

#Creando Células Sintéticas

Los investigadores están tratando de crear células sintéticas que imiten a las células reales. Usan un enfoque llamado biología sintética de abajo hacia arriba, lo que significa que comienzan con bloques de construcción básicos y los ensamblan para crear sistemas que actúan como células. Para hacer esto, es necesario entender cómo interactúan diferentes moléculas en entornos abarrotados, ya que así es como funcionan las células naturales.

Para empezar a crear células sintéticas, los científicos hacen pequeños contenedores llamados vesículas. Estas vesículas se pueden personalizar para contener ciertas moléculas, lo que puede llevar a estructuras más complejas dentro de ellas. Se pueden crear dos tipos principales de estructuras: aquellas que tienen membranas (como las células reales) y las que no tienen membranas. Este último grupo es particularmente interesante porque puede cambiar y moverse fácilmente.

#Orgánulos Sin Membrana

Dentro de una célula, también hay estructuras especiales llamadas orgánulos sin membrana. Estos juegan papeles importantes en la célula y a menudo interactúan con la membrana de la célula. Para crear células sintéticas que funcionen bien, los investigadores necesitan entender cómo funcionan estos orgánulos y cómo se pueden modelar en el laboratorio. La idea es replicar las características esenciales de estos orgánulos para lograr funciones celulares básicas y, en última instancia, aplicarlas de maneras específicas.

Un concepto importante en la formación de estos orgánulos se llama Separación de fases líquido-líquido (LLPS). Este es el proceso donde algunas partes de una mezcla se separan en diferentes estados líquidos. El LLPS puede suceder de dos maneras principales: separación de fase asociativa (APS) y separación de fase segregativa (SPS). La APS ocurre cuando las moléculas se atraen entre sí y se agrupan para formar una fase líquida densa. En cambio, la SPS ocurre cuando diferentes tipos de moléculas no se mezclan bien y crean fases separadas que mantienen su distancia entre sí.

#Imitando Procesos Celulares

Experimentos recientes han buscado imitar cómo funcionan las células promoviendo la APS dentro de células sintéticas. Al hacer esto, los investigadores pueden crear procesos dinámicos como condensación reversible, división y reacciones bioquímicas. En las células reales, los condensados, que son pequeñas gotas de proteínas u otras moléculas, funcionan en ubicaciones específicas como la membrana plasmática o el citoplasma. Replicar estos comportamientos en células sintéticas es un gran desafío, pero también un objetivo emocionante.

Un problema al que se enfrentan los científicos es asegurarse de que estos condensados se mantengan en el lugar correcto. Los métodos actuales a menudo hacen que los condensados se muevan libremente a través de la membrana, lo que puede no ser beneficioso para su función. La investigación continúa para entender cómo interactúan estos condensados con la parte interna de la membrana, ya que esto podría conducir a comportamientos similares a los que se ven en las células reales.

#El Papel de SPS y APS

La SPS es otro método útil para recrear cómo ocurren los procesos celulares en espacios abarrotados. Este método se ha aplicado para crear compartimentos dentro de las células manipulando la temperatura y otros factores. Los cambios resultantes pueden llevar a varias estructuras celulares, como brotes y división asimétrica. Los investigadores han utilizado pequeñas estructuras llamadas Liposomas para estudiar cómo la SPS puede crear estructuras polares dentro de ellos.

A pesar del éxito de la APS y la SPS como enfoques separados, los científicos todavía necesitan entender cómo pueden trabajar juntos en tiempo real dentro de un entorno similar al de una célula. Esta combinación podría ofrecer nuevas ideas sobre cómo construir mejores células sintéticas.

#Nuestra Investigación: Combinando SPS y APS

En este estudio, analizamos cómo la SPS y la APS trabajan juntas en pequeños entornos sintéticos para controlar el comportamiento de los condensados. Usamos dos tipos de sistemas: uno basado en SPS con polietilenglicol (PEG) y dextrano (DEX), y otro basado en APS con polil-lisina (PLL) y trifosfato de adenosina (ATP).

Primero, realizamos algunos experimentos básicos para mostrar cómo interactúan estos componentes bajo diferentes condiciones. Creamos un ambiente especial utilizando técnicas microfluídicas, lo que nos permitió encapsular los componentes SPS y APS dentro de pequeñas gotas llamadas emulsiones dobles o liposomas. Este montaje nos permitió observar cómo estos sistemas regulan el movimiento y la actividad de los condensados.

Descubrimos que bajo ciertas condiciones, podíamos mover componentes específicos a la membrana de la célula sintética. Cuando activamos cambios en el pH, logramos crear estructuras que incluían Coacervados, o grupos de moléculas, que podían adherirse a la membrana y cambiar su comportamiento.

Cuando colocamos condensados en estos entornos, permanecieron aislados entre sí y mostraron un movimiento limitado. Esta capacidad de controlar la ubicación y el comportamiento de los condensados dentro de una célula sintética es un paso importante hacia la replicación de funciones celulares reales.

#Usando Emulsiones Dobles

Inicialmente intentamos usar emulsiones dobles, que son pequeñas gotas de agua rodeadas de aceite. Después de aplicar diferentes condiciones, pudimos crear estructuras complejas dentro de ellas. Estas estructuras replicaron cómo se comportan las moléculas en entornos abarrotados, similares a los que se encuentran en células reales. Con el tiempo, observamos que las emulsiones dobles podían cambiar de tamaño y forma, llevando a la formación de nuevos compartimentos.

Luego, nos volvimos a los liposomas, que también se usan en estudios celulares. Creamos liposomas llenos de componentes de APS y SPS. Cuando agregamos soluciones específicas del exterior a estos liposomas, notamos que comenzaban a encogerse y formar nuevas estructuras en su superficie. Esto es significativo porque demostró que podíamos controlar la forma en que las moléculas se comportan en la interfaz de la membrana lipídica.

#Dirigiendo la Membrana

El enfoque usando liposomas nos ayudó a entender cómo controlar el movimiento de las moléculas hacia la superficie de la membrana. Al usar la SPS para dirigir los componentes de APS a la membrana, logramos inducir la formación de coacervados en la superficie.

Estas interacciones llevaron a la creación de "estructuras de pétalo," que son patrones que se formaron en la superficie de la membrana, mientras que los coacervados se encontraban en las regiones alrededor de estos pétalos. Esto muestra que podemos manipular no solo las moléculas dentro de la célula, sino también cómo interactúan con la membrana misma.

#Estructuras Complejas en Células Sintéticas

Al combinar los enfoques de SPS y APS, pudimos crear estructuras complejas, similares a flores, dentro de los liposomas. Estas estructuras permanecieron estables con el tiempo y permitieron la formación localizada de condensados. La combinación de diferentes condiciones nos permitió lograr un equilibrio que imitaba procesos celulares reales.

A través de un monitoreo cuidadoso, confirmamos que estos compartimentos recién formados permanecían distintos entre sí. Cada compartimento podía operar de manera independiente, lo cual es intrigante porque refleja el comportamiento que se observa en células reales con orgánulos sin membrana.

#Conclusión: Nuevas Ideas sobre la Función Celular

Nuestros hallazgos contribuyen a una mejor comprensión de cómo ocurren las interacciones moleculares en entornos celulares abarrotados. Al usar una combinación de SPS y APS, podemos controlar el comportamiento y la localización de los condensados biomoleculares, allanando el camino para nuevas estrategias en biología sintética.

Estos avances pueden llevar a células sintéticas más eficientes capaces de realizar tareas complejas similares a sus contrapartes naturales. La investigación ofrece un vistazo a cómo podemos aprovechar las interacciones de las moléculas para crear sistemas artificiales más sofisticados, que podrían tener aplicaciones en medicina, biotecnología y más allá.

El trabajo futuro explorará cómo estos principios pueden aplicarse en diferentes tipos de biomoléculas y entornos, haciendo que los sistemas de células sintéticas sean aún más versátiles y funcionales. El potencial de manipular estos bloques de construcción básicos de la vida abre nuevas puertas en nuestra comprensión de las células y cómo podemos replicar sus procesos, llevando a soluciones innovadoras en varios campos científicos.