I en ny studie som publiceras i Nature Chemistry beskriver UNC-Chapel Hill-forskaren Ronit Freeman och hennes kollegor hur de gick tillväga för att manipulera DNA och proteiner – livets viktigaste byggstenar – för att skapa celler som ser ut och fungerar som celler från kroppen. Denna prestation, som är den första inom området, har konsekvenser för insatser inom regenerativ medicin, läkemedelsleveranssystem och diagnostiska verktyg.
”Med denna upptäckt kan vi tänka oss att konstruera vävnader som kan vara känsliga för förändringar i sin omgivning och bete sig på ett dynamiskt sätt”, säger Freeman, vars laboratorium ligger vid Applied Physical Sciences Department på UNC College of Arts and Sciences.
Celler och vävnader är uppbyggda av proteiner som tillsammans utför olika uppgifter och skapar strukturer. Proteiner är viktiga för att bilda cellens ramverk, det så kallade cytoskelettet. Utan det skulle cellerna inte kunna fungera. Cytoskelettet gör det möjligt för cellerna att vara flexibla, både i form och som svar på sin omgivning.
Utan att använda naturliga proteiner byggde Freeman Lab celler med funktionella cytoskelett som kan ändra form och reagera på sin omgivning. För att göra detta använde de en ny programmerbar peptid-DNA-teknik som styr peptider, byggstenarna i proteiner, och återanvänt genetiskt material att arbeta tillsammans för att bilda ett cytoskelett.
”DNA förekommer normalt inte i ett cytoskelett”, säger Freeman. ”Vi programmerade om DNA-sekvenser så att de fungerar som ett arkitektoniskt material som binder samman peptiderna. När detta programmerade material placerades i en vattendroppe tog strukturerna form.”
Möjligheten att programmera DNA på det här sättet innebär att forskarna kan skapa celler med specifika funktioner och till och med finjustera en cells reaktion på yttre stressfaktorer. Även om levande celler är mer komplexa än de syntetiska celler som Freeman Lab har skapat, är de också mer oförutsägbara och mer känsliga för fientliga miljöer, t.ex. höga temperaturer.
”De syntetiska cellerna var stabila även vid 122 grader Fahrenheit, vilket öppnar upp för möjligheten att tillverka celler med extraordinära egenskaper i miljöer som normalt är olämpliga för mänskligt liv”, säger Freeman.
Istället för att skapa material som är gjorda för att hålla länge, säger Freeman att deras material är gjorda för att utföra en specifik funktion och sedan modifiera sig själva för att fylla en ny funktion. Tillämpningen kan anpassas genom att man lägger till olika peptid- eller DNA-design för att programmera celler i material som tyger eller vävnader. Dessa nya material kan integreras med andra syntetiska celltekniker, alla med potentiella tillämpningar som kan revolutionera områden som bioteknik och medicin.
”Den här forskningen hjälper oss att förstå vad som skapar liv”, säger Freeman. ”Den här syntetiska celltekniken kommer inte bara att göra det möjligt för oss att återskapa det som naturen gör, utan också att skapa material som överträffar biologin.”
Ytterligare information: Margaret L. Daly et al, Designer peptide–DNA cytoskeletons regulate the function of synthetic cells, Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01509-w
