Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

La vita, in tutte le sue forme, dal più piccolo batterio alla balena più grande, condivide un segreto fondamentale: la capacità di rimanere uguale a se stessa mentre tutto intorno cambia. Questa stabilità interna è chiamata omeostasi. È il motivo per cui il tuo corpo mantiene una temperatura costante anche quando il tempo cambia, o perché i livelli di zucchero nel sangue rimangono equilibrati dopo un pasto. Gli esseri viventi ottengono questo non essendo statici, ma percependo costantemente il proprio stato interno e apportando piccoli aggiustamenti automatici. Percepiscono quando una sostima chimica è troppo alta e rallentano la sua produzione, o percepiscono quando è troppo bassa e ne accelerano la produzione. Questo delicato gioco di equilibrio è ciò che permette alla vita di persistere. Per gli scienziati che cercano di costruire la vita artificiale da zero, creare un sistema capace di farlo autonomamente è stata una delle sfide più difficili. La maggior parte delle cellule artificiali create dall'uomo sono come stanze chiuse; una volta esauriti gli ingredienti all'interno, le reazioni si fermano e il sistema muore. Esse mancano della capacità di attingere nuovo combustibile dal mondo esterno e di regolare tale assunzione in base a ciò che accade all'interno.

Un team di ricercatori dell'Università di Surrey e dell'University College London ha costruito ora una minuscola cellula artificiale che può fare esattamente questo. Hanno creato una bolla microscopica capace di percepire la propria chimica interna e di regolare automaticamente quanto combustibile lasciar entrare per mantenere costante la propria attività. Questo sistema, descritto in uno studio recente, utilizza una combinazione intelligente di strutture di DNA ed enzimi per creare un ciclo di autoregolazione. I ricercatori non si sono limitati ad osservare questo fenomeno accadere; hanno costruito i componenti, li hanno assemblati all'interno di una bolla lipidica e hanno osservato il sistema mantenere uno stato stabile per sedici ore, un tempo straordinariamente lungo per una struttura sintetica così semplice.

La cellula artificiale che hanno costruito è una vescicola unilamellare gigante, che è essenzialmente una grande sfera cava fatta di un singolo strato di molecole di grasso, simile alla membrana di una cella reale. All'interno di questa bolla, i ricercatori hanno inserito il macchinario necessario per produrre l'RNA, una molecola che funge da messaggero e da lavoratore nei sistemi biologici. Hanno anche aggiunto un sistema per scomporre l'RNA. L'innovazione critica, tuttavia, risiede nella pelle della bolla. I ricercatori hanno incorporato nella membrana delle piccole strutture tubolari fatte di DNA. Questi tubi di DNA agiscono come cancelli o pori, permettendo a piccole molecole di passare. Nello specifico, permettono ai ribonucleotidi trifosfati, o rNTP, di fluire dall'ambiente esterno all'interno della bolla. Questi rNTP sono i mattoni di cui la cellula ha bisogno per produrre l'RNA.

La genialità del design risiede nel modo in cui la cellula controlla questo flusso. I pori di DNA non sono permanentemente aperti; possono essere bloccati. I ricercatori hanno programmato il sistema in modo che, quando la cellula produce RNA, produca anche un tipo specifico di filamento di RNA che funge da bloccante. Man mano che la cellula produce più RNA, questi filamenti bloccanti si accumulano e tappano fisicamente i pori di DNA, interrompendo il flusso di nuovi rNTP. Questo crea un ciclo di feedback negativo: più la cellula lavora, più essa interrompe il proprio approvvigionamento di combustibile. Tuttavia, il sistema non è progettato per restare chiuso. All'interno della bolla, un enzima chiamato RNasi consuma lentamente l'RNA bloccante. Man mano che i bloccanti vengono degradati, i pori si riaprono, permettendo a nuovi rNTP di entrare e al ciclo di ricominciare. Questo ciclo continuo di apertura, chiusura e riapertura permette alla cellula di mantenere un livello costante e stabile di produzione di RNA, indipendentemente da quanto combustibile sia disponibile all'esterno.

Per dimostrare che questo sistema funzionasse, i ricercatori hanno prima testato i pori di DNA singolarmente. Hanno caricato le bolle con un colorante rosso e le hanno poste in una soluzione con un colorante verde. Quando i pori erano aperti, il colorante rosso fuoriusciva e il colorante verde fluiva all'interno, confermando che i pori erano funzionali. Hanno poi dimostrato di poter interrompere questo flusso aggiungendo filamenti bloccanti, chiudendo efficacementamente i cancelli. Successivamente, hanno dimostrato che i pori potevano far entrare abbastanza rNTP da alimentare il macchinario interno per produrre RNA. Quando hanno aggiunto un marcatore fluorescente che si illumina solo quando legato al nuovo RNA prodotto, le bolle con i pori aperti brillavano intensamente, mentre quelle con i pori bloccati rimanevano scure.

Il test finale e più significativo è stato vedere se l'intero sistema potesse mantenere l'omeostasi. I ricercatori hanno posto le cellule completamente assemblate in una soluzione contenente rNTP e le hanno osservate nel tempo. Nelle cellule in cui i pori erano permanentemente aperti, la produzione di RNA continuava ad aumentare finché non esaurivano le risorse o diventavano caotiche. Nelle cellule in cui i pori erano permanentemente chiusi, la produzione di RNA si fermava quasi immediatamente. Ma nelle cellule con i pori di DNA autoregolanti, i livelli di RNA salivano fino a un punto specifico e poi rimanevano lì, costanti e stabili, per sedici ore. Il sistema regolava automaticamente il flusso di combustibile per adattarlo al tasso con cui l'RNA veniva scomposto, creando un equilibrio perfetto.

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter calibrare questo equilibrio. Aggiungendo un particolare filamento di DNA che funge da "soglia", potevano catturare alcuni dei bloccanti di RNA prima che raggiungessero i pori. Ciò significava che i pori rimanevano aperti più a lungo, permettendo l'ingresso di più combustibile e risultando in un livello costante più elevato di produzione di RNA. Questa capacità di impostare il livello target di attività senza ricostruire l'intero sistema suggerisce un alto grado di controllo. Lo studio dimostra che combinando trasporto, espressione genica e degradazione in un unico ciclo di feedback, è possibile creare una cellula sintetica che si comporta come un organismo vivente, mantenendo la propria stabilità interna in un mondo che cambia. Questo lavoro fornisce una tabella di marcia per costruire materiali più complessi e adattivi e cellule artificiali che possano operare per periodi prolungati senza l'intervento umano.