Les protocellules synthétiques peuvent être amenées à se rapprocher et à s'éloigner des signaux chimiques, une étape importante pour le développement de nouveaux systèmes d'administration de médicaments qui pourraient cibler des endroits spécifiques dans le corps. En recouvrant la surface des protocellules d'enzymes, des protéines qui catalysent les réactions chimiques, une équipe de chercheurs de Penn State a pu contrôler la direction du mouvement de la protocellule dans un gradient chimique dans un dispositif microfluidique. Un article décrivant la recherche paraît le 18 novembre 2019 dans la revue Nature Nanotechnologie .

"La vision futuriste est d'avoir des médicaments délivrés par de minuscules 'bots' qui peuvent transporter le médicament à l'endroit spécifique où il est nécessaire, " a déclaré Ayusman Sen, le professeur de chimie Verne M. Willaman à Penn State et le chef de l'équipe de recherche. "Actuellement, si vous prenez un antibiotique pour une infection de la jambe, il se diffuse dans tout votre corps. Donc, vous devez prendre une dose plus élevée afin d'obtenir suffisamment d'antibiotique dans votre jambe, là où vous en avez besoin. Si nous pouvons contrôler le mouvement directionnel d'un système de distribution de médicaments, nous réduisons non seulement la quantité de médicament nécessaire, mais nous pouvons également augmenter sa vitesse d'administration."

Une façon d'aborder la direction de contrôle est que le système d'administration du médicament reconnaisse et se déplace vers des signaux chimiques spécifiques émanant du site d'infection, un phénomène appelé chimiotaxie. De nombreux organismes utilisent la chimiotaxie comme stratégie de survie, pour trouver de la nourriture ou échapper aux toxines. Des travaux antérieurs avaient montré que les enzymes subissent un mouvement chimiotactique parce que les réactions qu'elles catalysent produisent de l'énergie qui peut être exploitée. Cependant, la plupart de ces travaux se sont concentrés sur la chimiotaxie positive, mouvement vers un produit chimique. Jusqu'à maintenant, peu de travail avait été fait sur la chimiotaxie négative. Chimiotaxie « accordable » :la capacité de contrôler la direction du mouvement, vers et loin de différents signaux chimiques - n'avait jamais été démontré.

Les chercheurs fabriquent des protocellules de taille uniforme, de minuscules sacs appelés liposomes qui contiennent les mêmes composants que les cellules naturelles. Ils peuvent ensuite attacher différentes enzymes à la surface externe de ces protocellules. Les enzymes qu'ils ont utilisées pour cette étude étaient la catalase, uréase, et ATPase. Ces enzymes convertissent des réactifs spécifiques en produits; la catalase par exemple convertit le peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène.

"Nous plaçons les liposomes enrobés d'enzyme dans un dispositif microfluidique qui maintient un gradient soit du réactif de l'enzyme, soit de ses produits, " dit Ambika Somasundar, un étudiant diplômé à Penn State et le premier auteur de l'article. "Nous pouvons ensuite mesurer le mouvement des liposomes vers ou à partir de produits chimiques spécifiques."

Dans leurs expériences, les protocellules revêtues de catalase se sont déplacées vers leur réactif, tandis que les protocellules revêtues d'uréase se sont éloignées de leur réactif. Les protocellules recouvertes d'ATPase se sont déplacées à la fois vers et loin du réactif, en fonction de la concentration.

"Pour délivrer efficacement des médicaments, vous avez besoin de deux choses :la capacité de transporter le médicament et la capacité de contrôler avec précision les mouvements, " a déclaré le sénateur. " L'intérieur des protocellules que nous utilisons peut être rempli d'une charge utile et nous nous rapprochons maintenant du contrôle précis de leur mouvement. "

En plus de Sen et Somasundar, l'équipe de recherche de Penn State comprend Subhadip Ghosh, Farzad Mohajerani, Lynnicia N. Massenburg, Tinglu Yang, Paul S. Cremer, et Darrell Velegol. La recherche a été financée par le Center for Chemomechanical Assembly de la National Science Foundation des États-Unis.