Sistemes artificials que imiten la forma en què les cèl·lules es mouen i es comuniquen

Una nova revisió publicada a la revista científica Small resumeix la recerca més important dels darrers anys sobre biomimètica basada en compartiments cel·lulars tous sintetitzats artificialment (synthetic soft-architectures) amb l’objectiu d’inspirar futurs avenços en aquest camp.

Samuel Sánchez, Group Leader a l’Institut de Bioingeniería de Catalunya (IBEC) ha participat en la redacció d’aquest article de la mà d’experts de fama mundial en l’àmbit de la bioenginyeria i la síntesi cel·lular.

Read more…

Tot i ser les unitats vitals més bàsiques, les cèl·lules són sistemes molt intricats i refinats. Requereixen un còctel precís de condicions i components per tal de dur a terme processos molt complexos, que són essencials per a la seva supervivència i propagació. Si bé els científics encara no han estat capaços de produir de manera artificial una cèl·lula viva totalment autònoma, si que han aconseguit imitar certes estructures i processos cel·lulars al laboratori. Els avenços més importants en aquest camp emergent de la biomimètica ascendent (més coneguda com bottom-up biomimicry, en anglès) es resumeixen en una revisió publicada recentment a la revista científica Small.

Samuel Sánchez, líder de el grup Smart Nano-Bio-Devices a l’Institut de Bioingeniería de Catalunya (IBEC) i professor d’investigació ICREA, és coautor d’aquest article, juntament amb experts de Eindhoven University of Technology als Països Baixos i Harbin Institute of Technology a la Xina. La seva revisió cobreix quatre àrees de la biomimètica sintètica: la compartimentació cel·lular, les reaccions biològiques per a la producció d’energia, la motilitat i els comportaments comunicatius.

La primera secció explora els diferents tipus de membranes toves i compartiments cel·lulars sintetitzats artificialment, alguns dels quals s’usen generalment a la biomedicina. Des estructures bàsiques com els liposomes, fins a membranes més complexes amb permeabilitat selectiva —com ara proteinosomes, coacervats i polimerosomes— els autors proporcionen una visió general dels procediments utilitzats en el procés de síntesi de cadascun d’ells, les seves capacitats bàsiques i el seu grau de similitud amb la natura. Si bé les membranes cel·lulars constitueixen un factor essencial per crear les condicions adequades perquè es doni la vida, els sistemes vius també han de poder transformar l’energia de fonts externes. Això és el que coneixem com a metabolisme, un procés que permet a les cèl·lules dur a terme reaccions més complexes que donen lloc, per exemple, a canvis en la forma o divisió cel·lular. En aquesta revisió, els experts resumeixen algunes de les reaccions bioquímiques reals que s’han replicat al laboratori, incloses l’activació de cascades enzimàtiques complexes i la modulació de l’activitat enzimàtica. Cal assenyalar que els èxits aconseguits en aquest àmbit, malgrat ser impressionants, encara estan lluny d’imitar amb precisió les cadenes de biorreaccions tan elaborades com les que podem observar a les cèl·lules vives.

“Els avenços més importants en el camp emergent de la biomimètica cel·lular es resumeixen en una nova revisió publicada a la revista científica Small. L’article tracta la síntesi de compartiments cel·lulars tous, la reacció bioquímica, la motilitat i els comportaments de comunicació cel·lular “.

a) Formation of bowl-shaped stomatocytes from polymersomes. Tunable opening size allows the enzymes trapped inside aqueous cavity.
Reproduced with permissions.[40] Copyright 2009, Wiley-VCH. b) Schematic representation and TEM images of a chemotactic polymersome using a
combination of membrane topology formed by PEO-PBO copolymers mixed with either PMPC-PDPA or POEGMA-PDPA copolymers. Reproduced with
permissions.[55] Copyright 2017, American Association for the Advancement of Science (AAAS).

Més endavant, els experts exploren diferents formes de motilitat que han estat replicades en cèl·lules sintètiques. Des de les formes més bàsiques de moviment, com el moviment guiat o per flotabilitat, fins al moviment aleatori i la quimiotaxis. Aquesta funció té aplicacions particularment prometedores en l’administració de fàrmacs, ja que les cèl·lules sintetitzades al laboratori poden ser “entrenades” per moure’s cap al teixit malalt. A més, els investigadors han aconseguit crear cèl·lules nanomotores que es mouen a diferents velocitats, i cèl·lules amb una funció d’encès/apagat que imiten de forma més acurada el moviment inherent a les cèl·lules vives.

 

Els autors de la revisió també discuteixen les diferents formes en què els investigadors han recreat la comunicació intercel·lular, tant entre les cèl·lules artificials com entre els grups cel·lulars artificials i naturals. Fins ara, aquests experiments s’han realitzat únicament amb cèl·lules bacterianes, però els experts suggereixen que és necessari investigar amb cèl·lules de mamífers i humans per avançar en aquest camp i poder assolir una major comprensió de les seves possibles aplicacions biomèdiques.

La biomimètica ha avançat molt en les últimes dècades gràcies als avenços més recents, centrats en dotar les cèl·lules sintètiques de la motilitat i capacitat de comunicació. Malgrat encara hi ha molt per descobrir, l’enfocament bottom-up ha proporcionat una gran comprensió d’aquestes unitats bàsiques de la vida, permetent-nos pensar de la mateixa manera com ho fa la natura.


Article de referència: Lei Wang, Shidong Song, Jan van Hest, Loai K. E. A. Abdelmohsen, Xin Huang, Samuel Sánchez (2020) “Biomimicry of Cellular Motility and Communication Based on Synthetic Soft‐Architectures.” Small, 2020.