La división celular es un sello distintivo de la vida y es esencial para el crecimiento, la reproducción y la reparación de un organismo. Es un proceso muy complejo impulsado por un cóctel preciso de componentes. Desentrañar los secretos de este fenómeno y replicarlo podría abrir una gran cantidad de posibles aplicaciones biomédicas. Este es uno de los objetivos finales de la biología sintética ascendente, un campo que tiene como objetivo diseñar y crear células sintéticas que imiten a la naturaleza. Todavía pasará algún tiempo antes de que tengamos células sintéticas completamente funcionales, pero un nuevo estudio dirigido por investigadores del IBEC nos ha acercado un paso más hacia este objetivo. El artículo, publicado en la revista científica Advanced Materials, describe la integración de la maquinaria de división celular en células sintéticas, un gran avance en el campo.
El estudio fue codirigido por César Rodríguez-Emmenegger, líder del grupo de Materiales Interactivos Bioinspirados y Sistemas Protocelulares del IBEC, y profesor de investigación ICREA. Otros investigadores del IBEC que contribuyeron al trabajo incluyen a Marina I. Giannotti y Ricardo A. Zamora, ambos del grupo “Nanoprobes and Nanoswitches”, del CIBER-BBN. El estudio se llevó a cabo en colaboración con investigadores del Instituto DWI-Leibniz de Materiales Interactivos y el Instituto Max Planck de Bioquímica.
En las bacterias, la autorreplicación se lleva a cabo gracias a un sistema proteico muy complejo llamado divisoma. Crea un anillo alrededor de la mitad de la celda, que luego se contrae y corta la celda en dos. Los investigadores han tratado de imitar este proceso en una variedad de sistemas, pero solo han tenido éxito cuando el sistema se construyó a partir de lípidos, los componentes naturales que forman las membranas celulares. Ahora, por primera vez, este estudio ha logrado insertar con éxito el divisoma en un material completamente sintético.
Durante millones de años, la evolución ha creado membranas celulares que cumplen con los requisitos para la vida, por lo que los investigadores estudiaron cuidadosamente estas propiedades para replicarlas en sus células sintéticas. Ensamblaron moléculas llamadas dendrímeros de Janus en una membrana sintética y la ajustaron delicadamente hasta que sus propiedades biofísicas fueran compatibles con los procesos celulares naturales. Una de estas propiedades fue el ancho, ya que las proteínas del divisoma no se unirán si la membrana no tiene el grosor adecuado. Otra es la carga, ya que el equilibrio de atracción y repulsión entre las proteínas y la membrana es crucial. Finalmente, la membrana necesita ser altamente móvil, flexible y estable, para que pueda soportar las fuerzas que ejercen sobre ella las proteínas.
Una vez que calibraron las propiedades, introdujeron el complejo proteico divisoma para ver si sería compatible con su membrana sintética. “Lo que observamos fue que, aunque nuestras moléculas son completamente diferentes de los lípidos, pudimos reproducir con extrema precisión el comportamiento del divisoma y, por supuesto, esto es un paso más cerca de lograr la autorreplicación en una célula sintética”, dice César Rodríguez-Emenegger.
Este estudio ha demostrado que se pueden diseñar entidades sintéticas para hacer uso de los mecanismos proporcionados por la naturaleza. La integración de la maquinaria de división celular es solo el primer paso. Los investigadores confían en que esto podría convertirse en una herramienta poderosa con muchas aplicaciones potenciales. “Pudimos insertar la maquinaria responsable de la división celular ajustando nuestra membrana sintética. Del mismo modo, en el futuro deberíamos poder incorporar cualquier maquinaria celular activa con los ajustes adecuados”, apunta Anna Wagner, investigadora doctoral del IBEC y primera autora del estudio.
Las células sintéticas podrían abrir una gran cantidad de posibilidades en biomedicina, ya que pueden ajustarse para realizar funciones que no pueden realizar las células normales. Por ejemplo, una célula sintética podría diseñarse para imitar a un macrófago, un tipo de glóbulo blanco que engulle patógenos, y ajustarse para actuar específicamente sobre células cancerosas, virus o bacterias, especialmente aquellas que son resistentes a los medicamentos disponibles actualmente. Las células sintéticas tendrían la ventaja de no tener las necesidades biológicas de las células vivas y no presentarían los mismos peligros que ciertos fármacos.
“Lo que más me emociona de este trabajo no es lo que hemos logrado, sino la perspectiva para el futuro. Hemos demostrado que somos capaces de copiar el modelo de la naturaleza, y no hay mejor ingeniero que la naturaleza”, concluye Rodríguez-Emmenegger.
Artículo de referencia:
Anna M. Wagner, Hiromune Eto, Anton Joseph, Shunshi Kohyama, Tamás Haraszti, Ricardo A. Zamora, Mariia Vorobii, Marina I. Giannotti, Petra Schwille, Cesar Rodriguez-Emmenegger. Dendrimersome synthetic cells harbor cell division machinery of bacteria. Advanced Materials (2022). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202364
