Friedrich Simmel y Aurore Dupin, investigadores de la Universidad Técnica de Munich (TUM), en Alemania, han creado por primera vez ensamblajes de células artificiales que pueden comunicarse entre sí. Las células, separadas por membranas grasas, intercambian pequeñas moléculas de señalización química para desencadenar reacciones más complejas, como la producción de ARN y otras proteínas.
Científicos de todo el mundo están trabajando en la creación de sistemas artificiales similares a las células que imitan el comportamiento de los organismos vivos. Simmel y Dupin han creado por primera vez esos ensamblajes en células artificiales en una disposición espacial fija. Lo más destacado es que las células son capaces de comunicarse entre sí.
"Nuestro sistema es un primer paso hacia materiales biológicos sintéticos similares a tejidos que exhiben un comportamiento espacial y temporal complejo, en el que las células individuales se especializan y se diferencian, al igual que los organismos biológicos", explica Simmel, profesor de Física de Biosistemas Sintéticos, en un comunicado.
Expresión genética en una estructura fija
Los geles o pequeñas gotas de emulsión encapsuladas en membranas finas de grasa o polímeros sirven como bloques de construcción básicos para las células artificiales. Dentro de estas unidades, de 10 a 100 micrómetros, las reacciones químicas y bioquímicas pueden desarrollarse sin inhibiciones.
El equipo de investigación utilizó gotitas encerradas por membranas lipídicas y las unió en estructuras multicelulares artificiales llamadas "microtejidos". Las soluciones de reacción bioquímica utilizadas en las gotitas pueden producir ARN y proteínas, lo que da a las células un tipo de capacidad de expresión génica.
Intercambio de señales y diferenciación espacial de las células
Las nuevas células artificiales también pueden intercambiarse pequeñas "moléculas de señal" a través de sus membranas o canales de proteínas incorporados en las membranas. Esto les permite unirse temporal y espacialmente entre sí. Los sistemas se vuelven dinámicos, como en la vida real.
Los impulsos químicos se propagan a través de las estructuras celulares y transmiten información. Las señales también pueden actuar como disparadores, permitiendo que las células inicialmente idénticas se desarrollen de manera diferente. "Nuestro sistema es el primer ejemplo de un sistema multicelular en el que las células artificiales con expresión génica tienen una disposición fija y se acoplan a través de señales químicas. De esta forma, logramos una forma de diferenciación espacial", explica Simmel.
Modelos sintéticos y fábricas de biomoléculas
El desarrollo de este tipo de sistemas sintéticos es importante, ya que permite a los científicos investigar cuestiones fundamentales sobre los orígenes de la vida en un modelo. Los organismos complejos solo fueron posibles después de que las células se especializaran y distribuyeran el trabajo entre las células cooperantes. Cómo surgió esto es una de las preguntas más fascinantes en la investigación básica.
Usando un kit de construcción modular de sistemas celulares hechos a medida, los investigadores esperan simular varias propiedades de los sistemas biológicos en el futuro. La idea es que las células reaccionen a su entorno y aprendan a actuar de forma independiente.
A largo plazo, los conjuntos de células artificiales se podrán implementar como mini-fábricas para producir biomoléculas específicas, o como pequeños sensores de micro-robot que procesen información y se adapten a sus entornos.
Impresoras 3D
Simmel y Dupin ensamblan sus sistemas celulares manualmente usando micromanipuladores. Sin embargo, en el futuro, planean cooperar con la Universidad de Ciencias Aplicadas de Munich para construir metódicamente sistemas más grandes y más realistas utilizando la tecnología de impresión 3D.
Referencia
Signalling and differentiation in emulsion-based multi-compartmentalized in vitro gene circuits. A. Dupin, F. C. Simmel. Nature Chemistry, volume, 26 November 2018. DOI: doi.org/10.1038/s41557-018-0174-9.