SciTechDaily

ניקולס

פלאים סינתטיים: איך ג'ונס הופקינס מגדיר מחדש את הנדסת סלולר

באמצעות תמונת מיקרוסקופיה ועיבוד גרפי, האמנים ממחישים תא סינתטי מינימלי שיכול לחוש רמז כימי כיווני ולהתארגן בעצמו בתגובה. קרדיט: מעבדת Inoue במכון הרפואי ג'ונס הופקינס, שנוצרה על ידי Shiva Razavi ו-Turhan Pathan, עריכה

מדענים הנדסו תא סינתטי המסוגל לשבור סימטריה, להגיב לאותות כימיים הדומים לתאי חיסון. התקדמות זו בג'ונס הופקינס עשויה להוביל למערכות אספקת תרופות ממוקדות, תוך ניצול היכולת של התא לנוע לעבר ולשחרר תרופות באתרים ספציפיים.

מדענים ב-Johns Hopkins Medicine פיתחו תא סינתטי מינימלי המסוגל לעקוב אחר אותות כימיים חיצוניים ולהציג מושג ביולוגי בסיסי המכונה "שבירת סימטריה". החידוש המדהים הזה נועד לשפר את ההבנה שלנו לגבי תנועה סלולרית ולתכנן שיטות חדשות להובלת תרופות בתוך הגוף.

המחקר מפורט היום (12 ביוני) בכתב העת התקדמות המדע.

הבנת שבירת סימטריה

שלב שלפני תנועת התא, שבירת סימטריה, מתרחש כאשר מולקולות התא, אשר מסודרות בתחילה באופן סימטרי, מתארגנות מחדש לתבנית או צורה אסימטרית, לרוב בתגובה לגירויים. זה דומה לאופן שבו ציפורים נודדות שוברות את הסימטריה כשהן עוברות למבנה חדש בתגובה למצפן סביבתי כמו אור שמש או ציוני דרך. ברמה המיקרוסקופית, תאי החיסון חשים באותות כימיים המרוכזים באתר זיהום ושוברים סימטריה כדי לחצות דופן של כלי דם כדי להגיע לרקמה הנגועה. כאשר תאים שוברים סימטריה, הם הופכים למבנים מקוטבים וא-סימטריים המכינים אותם לנוע לעבר המטרה שלהם.

"הרעיון של שבירת סימטריה הוא חיוני לחיים, ומשפיע על תחומים מגוונים כמו ביולוגיה, פיזיקה וקוסמולוגיה", אומרת שיווה רזאווי, Ph.D., שהובילה את המחקר כסטודנטית לתואר שני בג'ונס הופקינס וכיום היא פוסט-דוקטורט. במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. "ההבנה כיצד פועלת שבירת הסימטריה היא המפתח לפתיחת היסודות של הביולוגיה ולגלות כיצד לרתום את המידע הזה לתכנון טיפולים."

מציאת דרכים לחקות ולשלוט שבירת סימטריה בתאים סינתטיים נחשבה זה מכבר חיונית להבנה כיצד תאים יכולים לסקור את הסביבה הכימית שלהם ולארגן מחדש את הפרופיל והצורה הכימיים שלהם בתגובה.

פיתוח פרוטוסל סינטטי

לצורך מחקר זה יצרו מדענים שלפוחית ​​ענקית עם קרום דו-שכבתי – תא סינטטי מפושט עם עצמות או פרוטו-תא העשוי מפוספוליפידים, חלבונים מטוהרים, מלחים ו-ATP המספקים אנרגיה. עם צורתו הכדורית, הפרוטו-תא מכונה "הבועה". בניסויים שלהם, המדענים הנדסו בהצלחה את הפרוטוק עם יכולת חישה כימית שמניעה את התא לשבור סימטריה, ומשתנה מכדור כמעט מושלם לצורה לא אחידה. המערכת תוכננה במיוחד כדי לחקות את השלב הראשון בתגובה חיסונית, מסוגלת לאותת לנויטרופילים לתקוף חיידקים על סמך חלבונים שהם חשים סביבם, אומרים החוקרים.

"המחקר שלנו מדגים כיצד ישות דמוית תא יכולה לחוש את הכיוון של רמז כימי חיצוני, מחקה את התנאים שתמצא באורגניזם חי", אומר רזאווי. "על ידי בניית מבנה דמוי תא מאפס, נוכל לזהות ולהבין טוב יותר את המרכיבים החיוניים הנדרשים לתא לשבור סימטריה בצורה הפשוטה ביותר שלו."

יישומים עתידיים במשלוח תרופות

יום אחד ניתן להשתמש בחישה כימית לאספקת תרופות ממוקדת בתוך הגוף, אומרים המדענים.

"הרעיון הוא שאתה יכול לארוז כל מה שאתה רוצה לתוך הבועות האלה – חלבון, RNA, DNAצבעים או מולקולות קטנות – אמור לתא לאן ללכת באמצעות חישה כימית, ולאחר מכן תנו לתא להתפוצץ ליד היעד המיועד שלו כך שניתן יהיה לשחרר תרופה", אומר הסופר הבכיר Takanari Inoue, Ph.D., פרופסור לביולוגיה של התא. ומנהל המרכז לדינמיקת תאים ב-Johns Hopkins Medicine.

הנדסת מנגנוני חישה כימיים

כדי להפעיל את יכולת החישה הכימית של השלפוחית, חוקרים שתלו שני חלבונים הפועלים כמתגים מולקולריים – הנקראים FKBP ו-FRB – בתוך התא הסינטטי. החלבון FKBP הונח במרכז התא, בעוד FRB נשתל על הממברנה. כאשר המדענים הציגו כימיקל – rapamycin – מחוץ לתא הבועות, FKBP עבר לממברנה כדי להיקשר עם FRB, מה שגרם לתהליך שנקרא פילמור אקטין, או ארגון מחדש של שלד התא הסינטטי.

בתוך הפרוטו-תא, התגובה הכימית הביאה למבנה דמוי מוט המורכב מאקטין שמפעיל לחץ על קרום התא, מכופף אותו.

טכניקות הדמיה וכיוונים עתידיים

החוקרים השתמשו בסוג מיוחד של הדמיה תלת-ממדית מהירה הנקראת מיקרוסקופיה קונפוקלית כדי לתעד את יכולת החישה הכימית של הפרוטוק; הם היו צריכים להקליט תמונות במהירות, בקצב של פריים אחד לכל 15 עד 30 שניות, שכן הפרוטוקולים הגיבו במהירות לאות הכימי.

בשלב הבא, החוקרים שואפים לצייד את התאים הסינתטיים הללו עם היכולת לנוע לעבר יעד רצוי. בסופו של דבר, החוקרים מקווים להנדס תאים סינתטיים שיכולים להיות להם יישומים פוטנציאליים משמעותיים במתן תרופות ממוקדות, בחישה סביבתית ובתחומים אחרים שבהם תנועה מדויקת ותגובה לגירויים הם חיוניים.

מדענים נוספים שתרמו למחקר זה כוללים את בדרי אבובאקר-שריף, הידיאקי ט. מטסובאיאשי, הידקי נאקאמורה, נונג ת'י הונג נגוין, דאגלס נ. רובינסון ופאבלו א. איגלסיאס מג'ונס הופקינס; פליקס וונג מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס; ובאויו צ'ן מאוניברסיטת איווה סטייט.

המימון למחקר זה ניתן על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאות (5R01GM123130, R01GM136858, R35GM149329, R35GM128786, R01GM149073, R01GM66817 ו-S10OD016374), משרד ההגנה לפרויקטים מתקדמים למדע (HR0011 הקרן הלאומית למדע והטכנולוגיה של יפן – HR0011, הקרן הלאומית למדע ו-0111 של יפן). סוכנות.

ניקולס