Gli scienziati hanno sfruttato il potenziale dei batteri per realizzare cellule sintetiche avanzate che imitano la funzionalità della vita reale. La ricerca, guidata dall’Università di Bristol e pubblicata oggi su Nature, compie importanti progressi nell’impiego di cellule sintetiche, note come protocellule, per rappresentare in modo più accurato le complesse composizioni, struttura e funzione delle cellule viventi.
Stabilire una funzionalità realistica nelle protocellule è una grande sfida che abbraccia molteplici campi, che vanno dalla biologia e bioingegneria fino alla ricerca sull’origine della vita. I precedenti tentativi di realizzare modelli delle protocellule utilizzando le microcapsule non sono stati all’altezza, quindi il team di ricercatori si è rivolto ai batteri per costruire cellule sintetiche complesse utilizzando un processo di assemblaggio di materiale vivente.
Il prof. Stephen Mann della School of Chemistry dell’Università di Bristol e il Max Planck Bristol Center for Minimal Biology insieme ai colleghi Can Xu, Nicolas Martin (attualmente all’Università di Bordeaux) e Mei Li del Bristol Center for Protolife Research hanno dimostrato un metodo per la costruzione di protocellule altamente complesse utilizzando micro-goccioline viscose riempite di batteri viventi come un microscopico cantiere.
Nella prima fase, il team ha esposto le goccioline vuote a due tipi di batteri. Una popolazione è stata catturata spontaneamente all’interno delle goccioline mentre l’altra è stata intrappolata sulla superficie delle goccioline.
Quindi, entrambi i tipi di batteri sono stati distrutti in modo che i componenti cellulari rilasciati rimanessero intrappolati all’interno o sulla superficie delle goccioline per produrre protocellule batteriogeniche rivestite di membrana contenenti migliaia di molecole biologiche, parti e apparati.
I ricercatori hanno scoperto che le protocellule erano in grado di produrre molecole ricche di energia (ATP) attraverso la glicolisi e di sintetizzare RNA e proteine mediante l’espressione genica in vitro, indicando che i componenti batterici ereditati rimanevano attivi nelle cellule sintetiche.
Testando ulteriormente la capacità di questa tecnica, il team ha impiegato una serie di passaggi chimici per rimodellare strutturalmente e morfologicamente le protocellule batteriogene. Il DNA batterico rilasciato è stato condensato in un’unica struttura simile a un nucleo e l’interno della gocciolina si è infiltrato con una rete simile al citoscheletro di filamenti proteici e vacuoli d’acqua delimitati dalla membrana.
Come passo verso la costruzione di un’entità cellulare sintetica/vivente, i ricercatori hanno impiantato batteri viventi nelle protocellule per generare una produzione autosostenibile di ATP e un’energizzazione a lungo termine per la glicolisi, l’espressione genica e l’assemblaggio del citoscheletro. Curiosamente, i costrutti protoviventi hanno adottato una morfologia esterna simile a un’ameba a causa del metabolismo e della crescita batterica in loco per produrre un sistema bionico cellulare con proprietà integrate simili alla vita.
Il prof. Stephen Mann ha affermato: “Il raggiungimento di un’elevata complessità organizzativa e funzionale nelle cellule sintetiche è difficile soprattutto in condizioni vicino all’equilibrio. Si spera che il nostro attuale approccio batteriogeno contribuisca ad aumentare la complessità degli attuali modelli di protocellule, faciliti l’integrazione di una miriade di componenti biologici e consenta lo sviluppo di sistemi citomimetici energizzati“.
Il primo autore, il dott. Can Xu, Research Associate presso l’Università di Bristol, ha aggiunto: “Il nostro approccio all’assemblaggio di materiali viventi offre un’opportunità per la costruzione dal basso verso l’alto di costrutti simbiotici viventi/cellule sintetiche. Ad esempio, utilizzando batteri ingegnerizzati dovrebbe essere possibile fabbricare moduli complessi per lo sviluppo in aree diagnostiche e terapeutiche della biologia sintetica, nonché nella bioproduzione e nelle biotecnologie in generale“.