سلول‌های زنده مصنوعی: حرکت خودکار با واکنش‌های شیمیایی!
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان ساده‌ترین سلول مصنوعی تاکنون را ساخته‌اند - فقط یک غشاء، یک آنزیم و یک ماموریت.
دانشمندان موسسه مهندسی زیستی کاتالونیا (IBEC) در یک پیشرفت غیرمنتظره که حیات را به اساسی‌ترین قوانین آن تجزیه می‌کند، یک سلول مصنوعی مینیمال ساخته‌اند که می‌تواند به تنهایی و صرفاً با هدایت شیمی حرکت کند.
درست مانند باکتری‌هایی که به سمت غذا شنا می‌کنند یا سلول‌های ایمنی که به سمت محل‌های عفونت می‌دوند، این وزیکول کوچک و بی‌جان می‌تواند محیط خود را حس کرده و در آن حرکت کند.
شیمی به قطب‌نما تبدیل می‌شود
این راز در فرآیندی به نام کموتاکسی نهفته است، توانایی حرکت در امتداد گرادیان‌های شیمیایی.
در طبیعت، این روشی است که اسپرم تخمک را پیدا می‌کند یا گلبول‌های سفید خون التهاب را تشخیص می‌دهند. اما به جای تکیه بر ماشین‌آلات بیولوژیکی پیچیده مانند تاژک یا گیرنده‌ها، این سلول مصنوعی تنها از سه بخش استفاده می‌کند: یک غشای لیپیدی، یک آنزیم و یک منفذ غشایی.
لیپوزوم‌ها، حباب‌های چربی ساخته شده از همان مولکول‌های غشای سلولی واقعی، به عنوان پوسته ساختاری عمل می‌کردند. هنگامی که در یک گرادیان از گلوکز یا اوره قرار می‌گیرند، آنزیم درون لیپوزوم با مولکول‌ها واکنش می‌دهد و عدم تعادل در غلظت ایجاد می‌کند.
این امر باعث ایجاد جریان سیال در امتداد سطح وزیکول می‌شود و آن را به سمت غلظت بالاتر سوق می‌دهد.
این منفذ مانند یک دروازه کنترل‌شده عمل می‌کند و عدم تقارن مورد نیاز برای نیروی محرکه را مانند یک قایق خودران که توسط جریان‌های مولکولی نیرو می‌گیرد، ایجاد می‌کند.
برای اثبات کارایی آن، محققان بیش از ۱۰،۰۰۰ وزیکول را در کانال‌های میکروفلوئیدیک تحت گرادیان‌های با دقت کنترل‌شده آزمایش کردند.
آنها دریافتند که وزیکول‌هایی با منافذ بیشتر، رفتار کموتاکسی قوی‌تری نشان می‌دهند، در حالی که وزیکول‌های بدون منافذ، به احتمال زیاد به دلیل انتشار ساده، به صورت غیرفعال به سمت غلظت‌های پایین‌تر حرکت می‌کنند.
پروفسور جوزپه باتالیا، نویسنده ارشد و استاد تحقیقات ICREA در IBEC، گفت: «ما کل رقص را تنها با سه چیز بازسازی می‌کنیم: یک پوسته چرب، یک آنزیم و یک منفذ. بدون هیچ دردسری. حالا قوانین پنهان نمایان می‌شوند. این قدرت زیست‌شناسی مصنوعی است: یک پازل را تا استخوان‌هایش تکه‌تکه کنید، و ناگهان موسیقی را در میان آشفتگی می‌بینید. چیزی که زمانی پیچیده به نظر می‌رسید؟ شیمی خالص و زیبا، انجام کار‌های بیشتر با کمتر.»
کتاب قانون طبیعت، با حداقل بازنویسی
در سیستم‌های زنده، کموتاکسی یک استراتژی اساسی برای بقا است که به سلول‌ها اجازه می‌دهد مواد مغذی را تعقیب کنند، از خطر اجتناب کنند و توسعه را هماهنگ کنند.
بازتولید آن رفتار با چنین اجزای حداقلی، مدلی را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا دریابند که حیات چگونه در تاریخ تکامل اولیه حرکت کرده است.
این یافته‌ها دریچه‌ای به سوی مهندسی سلول‌های مصنوعی برای دارورسانی دقیق، حسگر‌های محیطی یا حتی سیستم‌های خودآرا و قابل برنامه‌ریزی می‌گشاید.
از آنجایی که این اجزا همگی در زیست‌شناسی رایج هستند، افزایش مقیاس یا اصلاح سیستم در نهایت می‌تواند امکان ساخت میکروربات‌های واکنش‌پذیر را که کاملاً از مواد نرم ساخته شده‌اند، فراهم کند.
باتالیا گفت: «حرکت یک وزیکول را تماشا کنید. واقعاً آن را تماشا کنید. آن حباب کوچک راز‌هایی را در خود جای داده است: اینکه سلول‌ها چگونه با یکدیگر زمزمه می‌کنند، چگونه محموله حیات را حمل می‌کنند. اما ماشین‌آلات زیست‌شناسی پر سر و صدا هستند، قطعات زیادی دارند! بنابراین، ما تقلب می‌کنیم.
این تحقیق حاصل همکاری بین IBEC، دانشگاه بارسلونا، کالج دانشگاهی لندن، دانشگاه لیورپول، موسسه بیوفیزیکا و بنیاد علوم ایکرباسک بود. تیم خوزه میگل روبی در دانشگاه بوفالو، که رفتار کموتاکسی وزیکول‌ها را پیش‌بینی کرد، از نظر تئوری از این تحقیق پشتیبانی کرد.
این مطالعه در مجله ساینس منتشر شده است.