Il a été démontré que la cellule « synthétique » suit des directions chimiques et change de forme, une fonction biologique vitale

Dans le cadre d'un exploit visant à comprendre comment les cellules se déplacent et à créer de nouvelles façons de transporter des médicaments à travers le corps, des scientifiques de Johns Hopkins Medicine affirment avoir construit une cellule synthétique minimale qui suit un signal chimique externe et démontre un principe directeur de la biologie appelé « bris de symétrie ». “.

Les résultats sont publiés le 12 juin dans Avancées scientifiques.

Une étape qui précède le mouvement d'une cellule, la rupture de symétrie, se produit lorsque les molécules d'une cellule, initialement disposées symétriquement, se réorganisent en un motif ou une forme asymétrique, généralement en réponse à des stimuli. Ceci est similaire à la façon dont les oiseaux migrateurs brisent la symétrie lorsqu'ils se déplacent vers une nouvelle formation en réponse à une boussole environnementale comme la lumière du soleil ou des points de repère. Au niveau microscopique, les cellules immunitaires détectent les signaux chimiques concentrés sur un site d’infection et brisent la symétrie pour traverser la paroi d’un vaisseau sanguin afin d’atteindre le tissu infecté. Lorsque les cellules brisent la symétrie, elles se transforment en structures polarisées et asymétriques qui les préparent à se déplacer vers leur cible.

“La notion de rupture de symétrie est cruciale pour la vie et a un impact sur des domaines aussi divers que la biologie, la physique et la cosmologie”, explique Shiva Razavi, Ph.D., qui a dirigé la recherche en tant qu'étudiant diplômé à Johns Hopkins et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Johns Hopkins. Massachusetts Institute of Technology. “Comprendre comment fonctionne la rupture de symétrie est essentiel pour débloquer les principes fondamentaux de la biologie et découvrir comment exploiter ces informations pour concevoir des traitements.”

Trouver des moyens d'imiter et de contrôler la rupture de symétrie dans les cellules synthétiques a longtemps été considéré comme essentiel pour comprendre comment les cellules peuvent étudier leur environnement chimique et réorganiser leur profil chimique et leur forme en réponse.

Pour cette étude, les scientifiques ont créé une vésicule géante dotée d’une membrane à double couche – une cellule synthétique simplifiée ou une protocellule composée de phospholipides, de protéines purifiées, de sels et d’ATP qui fournissent de l’énergie. Avec sa forme sphérique, la protocellule est surnommée « la bulle ». Dans leurs expériences, les scientifiques ont réussi à concevoir la protocellule avec une capacité de détection chimique qui incite la cellule à rompre la symétrie, passant d'une sphère presque parfaite à une forme inégale. Le système a été spécialement conçu pour imiter la première étape d’une réponse immunitaire, capable de signaler aux neutrophiles d’attaquer les germes en fonction des protéines qu’ils détectent autour d’eux, disent les chercheurs.

“Notre étude démontre comment une entité de type cellulaire peut détecter la direction d'un signal chimique externe, imitant les conditions que l'on trouverait dans un organisme vivant”, explique Razavi. “En construisant une structure cellulaire à partir de zéro, nous pouvons mieux identifier et comprendre les composants essentiels requis pour qu'une cellule brise la symétrie dans sa forme la plus simplifiée.”

Un jour, la détection chimique pourrait être utilisée pour une administration ciblée de médicaments dans le corps, affirment les scientifiques.

“L'idée est que vous pouvez emballer tout ce que vous voulez dans ces bulles – protéines, ARN, ADN, colorants ou petites molécules – indiquer à la cellule où aller en utilisant une détection chimique, puis faire éclater la cellule près de sa cible prévue afin qu'un médicament peuvent être libérés », déclare l'auteur principal Takanari Inoue, Ph.D., professeur de biologie cellulaire et directeur du Center for Cell Dynamics à Johns Hopkins Medicine.

Pour activer la capacité de détection chimique de la vésicule, les chercheurs ont implanté deux protéines qui agissent comme des commutateurs moléculaires, appelés FKBP et FRB, au sein de la cellule synthétique. La protéine FKBP a été placée au centre de la cellule, tandis que la FRB a été implantée sur la membrane. Lorsque les scientifiques ont introduit un produit chimique, la rapamycine, à l'extérieur de la cellule à bulles, le FKBP s'est déplacé vers la membrane pour se lier au FRB, déclenchant un processus appelé polymérisation de l'actine, ou une réorganisation du squelette de la cellule synthétique.

À l’intérieur de la protocellule, la réaction chimique a donné naissance à une structure en forme de bâtonnet composée d’actine qui exerce une pression sur la membrane cellulaire et la plie.

Les chercheurs ont utilisé un type spécialisé d'imagerie 3D rapide appelé microscopie confocale pour enregistrer la capacité de détection chimique de la protocellule ; ils ont dû enregistrer des images rapidement, à raison d'une image toutes les 15 à 30 secondes, car les protocellules répondaient rapidement au signal chimique.

Ensuite, les chercheurs visent à doter ces cellules synthétiques de la capacité de se déplacer vers une cible souhaitée. En fin de compte, les chercheurs espèrent concevoir des cellules synthétiques qui pourraient avoir des applications potentielles significatives dans l’administration ciblée de médicaments, la détection de l’environnement et d’autres domaines où un mouvement et une réponse précis aux stimuli sont cruciaux.

Parmi les autres scientifiques qui ont contribué à cette recherche figurent Bedri Abubaker-Sharif, Hideaki T. Matsubayashi, Hideki Nakamura, Nhung Thi Hong Nguyen, Douglas N. Robinson et Pablo A. Iglesias de Johns Hopkins ; Felix Wong du Massachusetts Institute of Technology ; et Baoyu Chen de l'Université d'État de l'Iowa.