سلول “مصنوعی” برای پیروی از دستورالعمل های شیمیایی و تغییر شکل، یک عملکرد بیولوژیکی حیاتی برنامه ریزی شده

مرحله ای که قبل از حرکت یک سلول است، شکست تقارن، زمانی اتفاق می افتد که مولکول های سلول، که در ابتدا به طور متقارن چیده شده اند، به یک الگو یا شکل نامتقارن، معمولاً در پاسخ به محرک، دوباره سازماندهی می شوند. این شبیه نحوه شکستن تقارن پرندگان مهاجر در واکنش به قطب‌نمای محیطی مانند نور خورشید یا مکان‌های دیدنی است. در سطح میکروسکوپی، سلول‌های ایمنی سیگنال‌های شیمیایی متمرکز شده در محل عفونت را حس می‌کنند و تقارن را می‌شکنند تا دیواره رگ خونی را طی کنند تا به بافت عفونی برسند. با شکستن تقارن سلول ها، به ساختارهای قطبی و نامتقارن تبدیل می شوند که آنها را برای حرکت به سمت هدف آماده می کند.

شیوا رضوی که به عنوان دانشجوی فارغ التحصیل در دانشگاه جان هاپکینز رهبری این پژوهش را بر عهده داشت، می‌گوید: «مفهوم شکست تقارن برای زندگی بسیار مهم است و بر حوزه‌های مختلفی مانند زیست‌شناسی، فیزیک و کیهان‌شناسی تأثیر می‌گذارد. موسسه تکنولوژی ماساچوست. درک چگونگی عملکرد شکست تقارن برای باز کردن اصول زیست‌شناسی و کشف چگونگی استفاده از این اطلاعات برای ابداع روش‌های درمانی کلیدی است.

یافتن راه‌هایی برای تقلید و کنترل شکست تقارن در سلول‌های مصنوعی مدت‌هاست که برای درک اینکه سلول‌ها چگونه می‌توانند محیط شیمیایی خود را بررسی کنند و نمایه و شکل شیمیایی خود را در پاسخ به آن بازآرایی کنند، ضروری تلقی می‌شود.

برای این مطالعه، دانشمندان یک وزیکول غول‌پیکر با یک غشای دو لایه ایجاد کردند – یک استخوان لخت، سلول مصنوعی ساده‌شده یا پروتوسل ساخته شده از فسفولیپیدها، پروتئین‌های خالص، نمک‌ها و ATP که انرژی را تامین می‌کند. پروتوسل با شکل کروی خود، “حباب” نامیده می شود. در آزمایشات خود، دانشمندان با موفقیت پروتوسل را با توانایی سنجش شیمیایی مهندسی کردند که سلول را وادار به شکستن تقارن می کند و از یک کره تقریباً کامل به شکل ناهموار تغییر می کند. به گفته محققان، این سیستم به طور خاص برای تقلید اولین گام در یک پاسخ ایمنی طراحی شده است و می تواند به نوتروفیل ها سیگنال دهد تا بر اساس پروتئین هایی که در اطراف خود احساس می کنند به میکروب ها حمله کنند.

رضوی می‌گوید: «مطالعه ما نشان می‌دهد که چگونه یک موجود سلول مانند می‌تواند جهت یک نشانه شیمیایی خارجی را با تقلید از شرایطی که در یک موجود زنده پیدا می‌کنید، حس کند.» با ساختن ساختاری سلول مانند از ابتدا، می‌توانیم اجزای ضروری مورد نیاز برای شکستن تقارن سلولی در ساده‌ترین شکل آن را بهتر شناسایی و درک کنیم.»

دانشمندان می گویند که یک روز می توان از سنجش شیمیایی برای تحویل هدفمند دارو در بدن استفاده کرد.

ایده این است که می‌توانید هر چیزی را که می‌خواهید در این حباب‌ها بسته بندی کنید – پروتئین، RNA، DNA، رنگ‌ها یا مولکول‌های کوچک – با استفاده از سنجش شیمیایی به سلول بگویید به کجا برود و سپس سلول را در نزدیکی هدف مورد نظر خود بترکانید تا یک دارو می تواند آزاد شود.

برای فعال کردن توانایی تشخیص شیمیایی وزیکول، محققان دو پروتئین را که به عنوان کلیدهای مولکولی عمل می کنند – به نام FKBP و FRB – در سلول مصنوعی کاشتند. پروتئین FKBP در مرکز سلول قرار داده شد، در حالی که FRB روی غشاء کاشته شد. هنگامی که دانشمندان یک ماده شیمیایی – راپامایسین – را در خارج از سلول حباب معرفی کردند، FKBP برای اتصال با FRB به غشاء حرکت کرد و فرآیندی به نام پلیمریزاسیون اکتین یا سازماندهی مجدد اسکلت سلول مصنوعی را آغاز کرد.

در داخل پروتوسل، واکنش شیمیایی منجر به ساختاری میله‌مانند متشکل از اکتین شد که به غشای سلول فشار وارد کرد و آن را خم کرد.

محققان از یک نوع تخصصی تصویربرداری سه بعدی سریع به نام میکروسکوپ کانفوکال برای ثبت توانایی سنجش شیمیایی پروتوسل استفاده کردند. آنها مجبور بودند به سرعت تصاویر را با سرعت یک فریم در هر 15 تا 30 ثانیه ضبط کنند، زیرا پروتوسل ها به سرعت به سیگنال شیمیایی پاسخ می دادند.

در مرحله بعد، محققان قصد دارند این سلول های مصنوعی را با توانایی حرکت به سمت هدف مورد نظر مجهز کنند. در نهایت، محققان امیدوارند سلول‌های مصنوعی را مهندسی کنند که بتوانند کاربردهای بالقوه قابل‌توجهی در دارورسانی هدفمند، سنجش محیطی و سایر زمینه‌هایی که حرکت و پاسخ دقیق به محرک‌ها در آن‌ها بسیار مهم است، داشته باشند.