Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores
Deze studie presenteert een minimale synthetische cel, geconstrueerd uit Giant Unilamellar Vesicles uitgerust met gated DNA-nanoporiën die autonoom homeostase handhaven door een negatieve terugkoppeling te gebruiken waarbij intern getranscribeerde RNA-blokkers de rNTP-instroom reguleren, wat een aanhoudende RNA-productie voor tot 16 uur onder variërende externe condities mogelijk maakt.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Het leven, in al zijn vormen, van de kleinste bacterie tot de grootste walvis, deelt een fundamenteel geheim: het vermogen om hetzelfde te blijven terwijl alles eromheen verandert. Deze interne stabiliteit wordt homeostase genoemd. Het is de reden waarom je lichaam een constante temperatuur behoudt wanneer het weer verandert, of waarom je bloedsuikerspiegel in balans blijft na een maaltijd. Levende wezens bereiken dit niet door statisch te zijn, maar door voortdurend hun interne staat te voelen en kleine, automatische aanpassingen te maken. Ze voelen wanneer een chemische stof te hoog is en vertragen de productie ervan, of voelen wanneer het te laag is en versnellen het. Dit delicate evenwicht is wat leven in stand houdt. Voor wetenschappers die proberen kunstmatig leven vanaf nul op te bouwen, is het creëren van een systeem dat dit uit zichzelf kan doen, een van de moeilijkste uitdagingen geweest. De meeste door de mens gemaakte cellen zijn als gesloten kamers; zodra de ingrediënten binnen op zijn, stoppen de reacties en sterft het systeem. Ze missen het vermogen om verse brandstof uit de buitenwereld naar binnen te trekken en die opname te reguleren op basis van wat er binnen gebeurt.
Een team onderzoekers aan de University of Surrey en University College London heeft nu een minuscule, kunstmatige cel gebouwd die precies dit kan. Ze creëerden een microscopische bel die zijn eigen interne chemie kan voelen en automatisch kan aanpassen hoeveel brandstof het binnenlaat om zijn activiteit stabiel te houden. Dit systeem, beschreven in een recente studie, gebruikt een slimme combinatie van DNA-structuren en enzymen om een zelfregulerende lus te creëren. De onderzoekers hebben dit niet alleen geobserveerd; ze bouwden de componenten, assembleerden ze in een lipide bel en zagen het systeem een stabiele staat handhaven gedurende zestien uur, een opmerkelijk lange tijd voor zo'n eenvoudig synthetisch construct.
De kunstmatige cel die zij hebben gebouwd is een giant unilamellar vesicle, wat in essentie een grote, holle sfeer is gemaakt van een enkele laag vetmoleculen, vergelijkbaar met het membraan van een echte cel. Binnen deze bel plaatsten de onderzoekers de machinerie die nodig is om RNA te maken, een molecuul dat fungeert als een boodschapper en een werker in biologische systemen. Ze voegden ook een systeem toe om RNA af te breken. De cruciale innovatie ligt echter in de huid van de bel. De onderzoekers plaatsten kleine, buisvormige structuren gemaakt van DNA in het membraan. Deze DNA-buisjes fungeren als poorten of poriën, waardoor kleine moleculen door kunnen stromen. Specifiek laten ze ribonucleoside trifosfaten, of rNTP's, van de buitenwereld naar binnen stromen in de bel. Deze rNTP's zijn de bouwstenen die de cel nodig heeft om RNA te maken.
De genialiteit van het ontwerp zit in de manier waarop de cel deze stroom controleert. De DNA-poriën staan niet permanent open; ze kunnen worden geblokkeerd. De onderzoekers programmeerden het systeem zo dat wanneer de cel RNA produceert, het ook een specifiek type RNA-streng produceert dat als blokkade dient. Naarmate de cel meer RNA produceert, accumuleren deze blokkerende strengen en verstoppen ze fysiek de DNA-poriën, waardoor de stroom van nieuwe rNTP's wordt gestopt. Dit creëert een negatieve feedbackloop: hoe meer de cel werkt, hoe meer hij zijn eigen brandstoftoevoer afsnoert. Het systeem is echter niet ontworpen om gesloten te blijven. Binnen de bel vreet een enzym genaamd RNase langzaam de RNA-blokkers weg. Naarmate de blokkers worden afgebroken, gaan de poriën weer open, waardoor verse rNTP's kunnen binnenstromen en de cyclus opnieuw kan beginnen. Deze continue cyclus van openen, sluiten en heropenen stelt de cel in staat om een constante, stabiele hoeveelheid RNA-productie te handhaven, ongeacht hoeveel brandstof er buiten beschikbaar is.
Om te bewijzen dat dit systeem werkte, testten de onderzoekers eerst de DNA-poriën op zichzelf. Ze vulden de bellen met een rode kleurstof en plaatsten ze in een oplossing met een groene kleurstof. Wanneer de poriën open waren, lekte de rode kleurstof naar buiten en stroomde de groene kleurstof naar binnen, wat bevestigde dat de poriën functioneel waren. Ze lieten vervolgens zien dat ze deze stroom konden stoppen door blokkerende strengen toe te voegen, waarmee de poorten effectief werden gesloten. Vervolgens demonstreerden ze dat de poriën genoeg rNTP's konden binnenlaten om de interne machinerie aan te drijven om RNA te maken. Wanneer ze een fluorescerende tag toevoegden die alleen oplicht wanneer deze gebonden is aan het nieuw gemaakte RNA, lichtten de bellen met open poriën fel op, terwijl de bellen met geblokkeerde poriën donker bleven.
De laatste en meest significante test was om te zien of het hele systeem homeostase kon handhaven. De onderzoekers plaatsten de volledig geassembleerde cellen in een oplossing die rNTP's bevatte en observeerden deze gedurende een bepaalde tijd. In cellen waar de poriën permanent open waren, bleef de RNA-productie toenemen totdat de middelen op waren of chaotisch werd. In cellen waar de poriën permanent gesloten waren, stopte de RNA-productie bijna onmiddellijk. Maar in de cellen met de zelfregulerende DNA-poriën steeg het RNA-niveau tot een specifiek punt en bleef het daar, stabiel en constant, gedurende zestien uur. Het systeem paste de stroom van brandstof automatisch aan om overeen te komen met de snelheid waarmee het RNA werd afgebroken, waardoor een perfect evenwicht ontstond.
De onderzoekers toonden ook aan dat ze dit evenwicht konden afstemmen. Door een specifieke DNA-streng toe te voegen die als een "drempelwaarde" fungeert, konden ze enkele van de RNA-blokkers opvangen voordat ze de poriën bereikten. Dit betekende dat de poriën langer open bleven, waardoor er meer brandstof binnenkwam en resulteerde in een hoger stabiel niveau van RNA-productie. Dit vermogen om het doelniveau van activiteit in te stellen zonder het hele systeem te herbouwen, suggereert een hoge mate van controle. De studie toont aan dat door transport, genexpressie en degradatie samen te voegen in één enkele feedbackloop, het mogelijk is om een synthetische cel te creëren die zich gedraagt als een levend organisme en zijn interne stabiliteit handhaaft in een veranderende wereld. Dit werk biedt een blauwdruk voor het bouwen van complexere, adaptieve materialen en kunstmatige cellen die gedurende langere perioden kunnen functioneren zonder menselijke tussenkomst.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.