Ingenjörer som vill skapa artificiella celler för att transportera läkemedel till sjuka delar av kroppen står inför en stor utmaning: för att ett cellliknande system ska kunna röra sig, ändra form eller dela sig måste det kunna alstra kraft på kommando.
Biologiska celler är beroende av adenosintrifosfat (ATP) för att röra musklerna, transportera ämnen över membran och utföra andra funktioner. Många cellulära mekanismer kopplar ATP-hydrolys (en process där den kemiska energin som lagras i ATP frigörs) direkt till rörelse. Men vissa encelliga organismer som kallas ciliater använder en annan strategi. En kalciumpuls utlöser en ultrasnabb sammandragning, och ATP används därefter för att pumpa tillbaka kalcium till lagret och återställa systemet.
I en studie ledd av Georgia Tech publicerad i Nature Communications lärde sig forskarna hur man använder en liknande mekanism för att styra rörelserna hos konstgjorda proteinnätverk utan att förlita sig på ATP-drivna motorproteiner. Istället använde de kalcium som en utlösare för att få nätverken att dra ihop sig eller slappna av.
”Om ingenjörer vill ha syntetiska celler som kan göra celliknande saker behöver de ett sätt att generera kraft på kommando”, säger Saad Bhamla, medförfattare och docent vid Georgia Techs School of Chemical and Biomolecular Engineering. ”Celler måste röra sig, ändra form och dela sig. Vi försöker bygga en styrbar motor av enkla delar.”
I studien producerade och renade teamet Tetrahymena thermophila kalciumbindande protein 2 (Tcb2), som finns i ciliater. Proteinet bildar ett fibröst nätverk och dras samman när det utsätts för kalcium. Forskarna återskapade Tcb2-proteinnätverk i laboratoriet och använde sedan en ljuskänslig kalciumkelator (en ”bur”-molekyl som håller kvar kalciumet tills den belyses) för att styra när och var kalciumet skulle frigöras.
De projicerade ljusmönster av stjärnor och cirklar för att få nätverket att sätta ihop sig och dra ihop sig i motsvarande former. För att kontinuerligt ”ladda om” systemet pulserade det universitetsövergripande teamet ljuset på proteinnätverken, vilket upprepade gånger frigjorde kalcium och drev på cykler av sammansättning och sammandragning.
”Ljuset klyver en ’bur’-molekyl som håller kalcium, och frigör kalcium endast där mönstret projiceras”, sade Xiangting Lei, en doktor i kemiteknik från Georgia Tech som var med och ledde studien. ”Med pulserande belysning kan nätverket dra ihop sig upprepade gånger under cirka 150 cykler, med en sammandragningshastighet på cirka 0,4 mikrometer per sekund.”
Teamet demonstrerade också transport av mikroskopiska partiklar med hjälp av nätverkets krafter, ett steg mot styrbar aktivering som kan vara användbar i syntetiska cell-liknande leveranssystem. Nästa steg var att skapa en datormodell för att förstå hur Tcb2 expanderade under olika ingångssignaler.
”Pulserandet gjorde det möjligt för oss att upprepade gånger dra ihop nätverket”, säger Carlos Floyd, medförfattare och postdoktor vid University of Chicago. ”Genom att använda simuleringar och förstärkningsinlärning lärde vi oss hur man genererar ljusmönster som styr nätverket att skjuta eller dra enligt våra önskemål.”
Arbetet växte fram ur Bhamlas bioinspirerade ingenjörslabb, som tidigare har byggt hoppande robotar inspirerade av hoppstjärtar och simmare inspirerade av vattenlöpare. Han tipsade Lei om ciliater som en källa till kontrollerbar sammandragning.
”De flesta molekylära maskiner förbränner ATP direkt, precis som en bensinmotor”, säger Bhamla. ”Men ciliater har en annan konstruktion. De använder ATP för att ladda kalciumlagren, och sedan utlöser en kalciumpuls en ultrasnabb rörelse. Det liknar mer en Prius än en ren bensinmotor. Man laddar kalciumbatteriet och släpper ut det vid behov.”
Bhamla sa att en kontrollerbar kraftgenerator är en saknad komponent i många koncept för syntetiska celler. Teamets ljusstyrda kalcium-”motor” erbjuder en väg till den kapaciteten, med precisionen att placera krafter där de behövs.
Publikationsuppgifter
Xiangting Lei et al, Light-induced assembly and repeatable actuation in Ca2+-driven chemomechanical protein networks, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-69651-2
