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Un motor fotosintético para células artificiales

En la búsqueda de construir una célula artificial, existen dos enfoques: el primero, rediseña el software genómico de una célula viva. El segundo, se centra en el hardware celular, la construcción de estructuras simples, similares a las células desde cero que imitan la función de las células vivas. 

 

Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard John A. Paulson

Uno de los mayores desafíos en este segundo enfoque es imitar las intrincadas reacciones químicas y biológicas requeridas para que las células realicen comportamientos complejos.

Ahora, un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de Sogang en Seúl han diseñado una estructura similar a una célula que aprovecha la fotosíntesis para realizar reacciones metabólicas, incluida la recolección de energía, la fijación de carbono y la formación del citoesqueleto.

La investigación se publica en Nature Biotechnology .

“Esta investigación, parte de una rica colaboración entre Harvard y la Universidad de Sogang, abre varios frentes diferentes sobre lo que se podría hacer a nivel celular”, dijo Kit Parker, profesor de Bioingeniería y Física Aplicada de la familia Tarr en Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) y co-investigador principal del proyecto. “Hemos activado la actividad metabólica con la luz, construimos una red de proteínas a pedido en una célula viva y empaquetamos todos los componentes necesarios para hacer esto en una sola célula”.

Parker también es miembro de la Facultad de Ciencias del Instituto Wyss de Harvard para Ingeniería Biológica Inspirada y del Instituto de Células Madre de Harvard.

“Los mecanismos que hemos demostrado deben ser el primer paso en el desarrollo de múltiples redes reguladoras para células artificiales que pueden exhibir homeostasis y comportamientos celulares complejos”, dijo Kwanwoo Shin, director del Instituto de Interfaces Biológicas y profesor en el Departamento de Química de Sogang. Universidad e investigador co-principio del proyecto.

Un motor fotosintético para células artificiales
La regulación de la producción de actina. La luz roja facilita la síntesis de ATP generando protones dentro del orgánulo, mientras que la luz verde impide la síntesis de ATP al reducir los protones. Credit: Disease Biophysics Group / Universidad de Harvard

Para construir este sistema sintético, los investigadores diseñaron un orgánulo fotosintético a partir de los componentes únicos del mundo de las plantas y los animales .

“Nuestra idea era simple”, dijo Keel Yong Lee, becaria postdoctoral en SEAS y primera autora de la investigación. “Elegimos dos fotoconvertidores de proteínas, uno de plantas, el otro de bacterias, que puede generar un gradiente a través de la membrana celular para desencadenar reacciones”.

Los fotoconvertidores son sensibles a diferentes longitudes de onda de luz: una roja, la otra verde. Las proteínas se integraron en una membrana lipídica simple, junto con enzimas que generan trifosfato de adenosina (ATP), la energía esencial que llevan las células. Cuando la membrana se ilumina con luz roja, se produce una reacción química fotosintética que produce ATP. Cuando la membrana se ilumina con luz verde, la producción se detiene. La capacidad de activar y desactivar la producción de energía permite a los investigadores controlar muchas reacciones dentro de la célula, incluida la polimerización de la actina, los bloques de construcción por excelencia de las células y los tejidos.

“Investigaciones previas en el campo usaron estas proteínas para generar ATP, pero solo una a la vez”, dijo Sung-Jin Park, investigador asociado de SEAS y Wyss y coautor del artículo. “Hemos combinado lo mejor del mundo vegetal con lo mejor del mundo animal, lo que nos permite ajustar y regular la producción de energía de la célula. Estamos diseñando estas células de abajo hacia arriba, comenzando con estas proteínas individuales”.

Ser capaz de controlar y ajustar la producción de actina permite a los investigadores controlar la forma de las membranas celulares y puede proporcionar una forma de diseñar células móviles. Este enfoque ascendente podría utilizarse para construir otros orgánulos artificiales, como el retículo endoplasmático o un sistema similar al núcleo, y podría ser el primer paso hacia sistemas similares a células artificiales que puedan imitar los comportamientos complejos de las células biológicas .

“Introducir redes de proteínas funcionales y orgánulos en un entorno celular artificial allanará el camino para lograr el gran objetivo de construir una célula de novo”, dijo Shin.

“Desde la medicina de fertilidad hasta las heridas por traumatismos y otras enfermedades más exóticas, ahora tenemos un conocimiento básico de las herramientas y los requisitos para controlar lo que sucede en una célula. La idea de las prótesis celulares se acerca cada vez más a este resultado “, dijo Parker.

Más información: Keel Yong Lee y otros, orgánulos artificiales sintéticos sostienen y controlan las reacciones dependientes de ATP en un sistema protocelular, Nature Biotechnology (2018). DOI: 10.1038 / nbt.4140

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