Progettare cellule sintetiche: combinare tecniche di separazione di fase

Le cellule vive sono come piccole fabbriche piene di parti diverse. Hanno tante piccole strutture chiamate organelli, che aiutano la cellula a svolgere i suoi compiti. L'interno di una cellula è affollato di proteine, zuccheri e altre molecole che si muovono e interagiscono continuamente tra loro. Questo ambiente vivace è cruciale per la vita e la funzione della cellula.

#Costruire Cellule Sintetiche

I ricercatori stanno cercando di creare cellule sintetiche che imitano le cellule reali. Usano un approccio chiamato biologia sintetica bottom-up, che significa che partono da blocchi di costruzione di base e li mettono insieme per creare sistemi che si comportano come cellule. Per fare questo, è necessario capire come interagiscono le molecole in ambienti affollati, visto che così funzionano le cellule naturali.

Per cominciare a creare cellule sintetiche, gli scienziati realizzano piccole contenitori chiamati vescicole. Queste vescicole possono essere personalizzate per contenere determinate molecole, il che può portare a strutture più complesse al loro interno. Ci sono due tipi principali di strutture che possono essere create: quelle che hanno membrane (come le cellule reali) e quelle che non hanno membrane. Quest'ultima categoria è particolarmente interessante perché può cambiare e muoversi facilmente.

#Organelli Senza Membrana

Dentro una cellula ci sono anche strutture speciali chiamate organelli senza membrana. Queste giocano ruoli importanti nella cellula e spesso interagiscono con la membrana della cellula. Per creare cellule sintetiche che funzionano bene, i ricercatori devono capire come funzionano questi organelli e come possono essere modellati in laboratorio. L'idea è replicare le caratteristiche essenziali di questi organelli per ottenere funzioni cellulari di base e, alla fine, applicarle in modi specifici.

Un concetto importante nella formazione di questi organelli è chiamato Separazione di fase liquido-liquido (LLPS). Questo è il processo in cui alcune parti di un miscuglio si separano in diversi stati liquidi. La LLPS può avvenire in due modi principali: separazione di fase associativa (APS) e separazione di fase segregativa (SPS). L'APS si verifica quando le molecole si attraggono e si uniscono per formare una fase liquida densa. Al contrario, la SPS si verifica quando diversi tipi di molecole non si mescolano bene e creano fasi separate che mantengono la loro distanza l'una dall'altra.

#Imitare i Processi Cellulari

Esperimenti recenti hanno mirato a imitare come funzionano le cellule promuovendo l'APS all'interno delle cellule sintetiche. Facendo così, i ricercatori possono creare processi dinamici come condensazione reversibile, divisione e reazioni biochimiche. Nelle cellule reali, i condensati, che sono piccole gocce di proteine o altre molecole, funzionano in posizioni specifiche come la membrana plasmatica o il citoplasma. Replicare questi comportamenti nelle cellule sintetiche è una grande sfida ma anche un obiettivo entusiasmante.

Un problema che gli scienziati affrontano è garantire che questi condensati rimangano al posto giusto. I metodi attuali spesso portano i condensati a muoversi liberamente attraverso la membrana, il che potrebbe non essere vantaggioso per la loro funzione. La ricerca è in corso per capire come questi condensati interagiscono con la parte interna della membrana, dato che questo potrebbe portare a comportamenti simili a quelli visti nelle cellule reali.

#Il Ruolo di SPS e APS

La SPS è un altro metodo utile per ricreare come avvengono i processi cellulari negli spazi affollati. Questo metodo è stato applicato per creare compartimenti all'interno delle cellule manipolando temperatura e altri fattori. I cambiamenti risultanti possono portare a varie strutture cellulari, come gemmazione e divisione asimmetrica. I ricercatori hanno usato piccole strutture chiamate liposomi per studiare come la SPS possa creare strutture polari al loro interno.

Nonostante il successo di APS e SPS come approcci separati, gli scienziati devono ancora capire come possano lavorare insieme in tempo reale all'interno di un ambiente simile a quello cellulare. Questa combinazione potrebbe fornire nuove intuizioni su come costruire cellule sintetiche migliori.

#La Nostra Ricerca: Combinare SPS e APS

In questo studio, abbiamo esaminato come SPS e APS lavorano insieme in piccoli ambienti sintetici per controllare il comportamento dei condensati. Abbiamo usato due tipi di sistemi: uno basato sulla SPS con polietilene glicole (PEG) e destrosio (DEX), e un altro basato sull'APS con poli-L-lisina (PLL) e adenosina trifosfato (ATP).

Inizialmente, abbiamo svolto alcuni esperimenti di base per mostrare come questi componenti interagiscono in condizioni diverse. Abbiamo creato un ambiente speciale usando tecniche microfluidiche, che ci hanno permesso di racchiudere i componenti SPS e APS all'interno di piccole gocce chiamate emulsioni doppie o liposomi. Questa configurazione ci ha permesso di osservare come questi sistemi regolano il movimento e l'attività dei condensati.

Abbiamo scoperto che in certe condizioni potevamo muovere specifici componenti verso la membrana della cellula sintetica. Quando abbiamo innescato cambiamenti nel pH, siamo riusciti a creare strutture che includevano Coacervati, o gruppi di molecole, che potevano aderire alla membrana e cambiare il loro comportamento.

Quando abbiamo posto i condensati in questi ambienti, sono rimasti isolati l'uno dall'altro e hanno mostrato movimento limitato. Questa capacità di controllare la posizione e il comportamento dei condensati all'interno di una cellula sintetica è un passo importante verso la replicazione delle funzioni cellulari reali.

#Utilizzo delle Emulsioni Doppie

Inizialmente abbiamo provato a usare emulsioni doppie, che sono piccole gocce d'acqua circondate da olio. Dopo aver applicato diverse condizioni, siamo riusciti a creare strutture complesse al loro interno. Queste strutture replicavano come le molecole si comportano in ambienti affollati, simili a quelli trovati nelle cellule reali. Col tempo, abbiamo osservato che le emulsioni doppie potevano cambiare dimensione e forma, portando alla formazione di nuovi compartimenti.

Successivamente, ci siamo spostati sui liposomi, che sono usati anche negli studi cellulari. Abbiamo creato liposomi riempiti con componenti APS e SPS. Quando abbiamo aggiunto soluzioni esterne specifiche a questi liposomi, abbiamo notato che iniziavano a rimpicciolirsi e a formare nuove strutture sulla loro superficie. Questo è significativo perché ha dimostrato che potevamo controllare il modo in cui le molecole si comportano all'interfaccia della membrana lipidica.

#Targeting della Membrana

L'approccio che ha usato i liposomi ci ha aiutato a capire come controllare il movimento delle molecole sulla superficie della membrana. Utilizzando la SPS per indirizzare i componenti APS verso la membrana, abbiamo indotto con successo la formazione di coacervati sulla superficie.

Queste interazioni hanno portato alla creazione di "strutture a petalo", che sono modelli formati sulla superficie della membrana, mentre i coacervati si trovavano nelle regioni circostanti questi petali. Questo dimostra che possiamo manipolare non solo le molecole all'interno della cellula, ma anche come interagiscono con la membrana stessa.

#Strutture Complesse nelle Cellule Sintetiche

Combinando gli approcci SPS e APS, siamo riusciti a creare strutture complesse a forma di fiore all'interno dei liposomi. Queste strutture sono rimaste stabili nel tempo e hanno permesso la formazione localizzata di condensati. La combinazione di condizioni diverse ci ha permesso di raggiungere un equilibrio che imitava i processi cellulari reali.

Attraverso un attento monitoraggio, abbiamo confermato che questi nuovi compartimenti formati sono rimasti distinti l'uno dall'altro. Ogni compartimento poteva operare in modo indipendente, il che è intrigante perché riflette il comportamento osservato nelle cellule reali con organelli senza membrana.

#Conclusione: Nuove Intuizioni sulla Funzione Cellulare

I nostri risultati contribuiscono a una migliore comprensione di come avvengono le interazioni molecolari in ambienti cellulari affollati. Utilizzando una combinazione di SPS e APS, possiamo controllare il comportamento e la localizzazione dei condensati biomolecolari, aprendo la strada a nuove strategie nella biologia sintetica.

Questi progressi possono portare a cellule sintetiche più efficienti in grado di svolgere compiti complessi simili ai loro omologhi naturali. La ricerca offre uno sguardo su come possiamo sfruttare le interazioni delle molecole per creare sistemi artificiali più sofisticati, che potrebbero avere applicazioni in medicina, biotecnologia e oltre.

Il lavoro futuro esplorerà come questi principi possono essere applicati a diversi tipi di biomolecole e ambienti, rendendo i sistemi cellulari sintetici ancora più versatili e funzionali. Il potenziale di manipolare questi blocchi costitutivi della vita apre nuove porte nella nostra comprensione delle cellule e di come possiamo replicare i loro processi, portando a soluzioni innovative in vari campi scientifici.