De la kryptonite pour Superman aux toxines végétales pour l'herbe à puce, les réactions chimiques au sein des cellules du corps peuvent être transformatrices. Et, lorsqu'il s'agit de transmuter des cellules, Les chercheurs de l'UC San Diego deviennent des imitateurs de super-héros.

Récemment nommé Lauréat National Blavatnik en Chimie, Neal Devaraj, avec les collègues de recherche Henrike Niederholtmeyer et Cynthia Chaggan, utilisé des matériaux comme l'argile et le plastique pour fabriquer des cellules synthétiques – ou « imitateurs cellulaires » – capables d'exprimer et de communiquer des gènes rivalisant avec celles des cellules vivantes. Selon certains scientifiques, ces résultats de recherche, publié récemment dans Communication Nature , pourrait être parmi les plus importantes en biologie synthétique cette année.

Message d'espoir

Travailler avec des imitateurs de cellules est une entreprise scientifique prometteuse en raison des applications potentielles des cellules artificielles. Par exemple, après plus de recherches pour assurer leur application sûre et fiable, les cellules synthétiques pourraient éventuellement être conçues pour reconnaître et s'attacher aux cellules cancéreuses dans le corps d'un patient, permettant une administration précise des médicaments, sans impact sur les cellules saines, et réduisant les effets secondaires de la chimiothérapie.

En outre, les cellules artificielles pourraient servir de biocapteurs pour les produits chimiques toxiques dans l'environnement, nous faire savoir, par exemple, que l'eau est impropre à la consommation. Ils pourraient améliorer les tests de diagnostic grâce à leur petite taille et leur biocompatibilité, ce qui pourrait permettre à un groupe d'imitateurs cellulaires d'effectuer divers tests simultanément en utilisant seulement une infime quantité de sang. Les imitateurs cellulaires interactifs pourraient même former des tissus artificiels qui se développent indépendamment en minuscules, des structures à micro-modèles, un peu comme des puces informatiques qui pourraient se former d'elles-mêmes. Les scientifiques prévoient également que le processus même de fabrication de cellules synthétiques pourrait conduire à une meilleure compréhension des origines et de l'évolution de la vie.

Mais, il y a un hic.

« Si nous voulons développer des matériaux synthétiques, nous devons faire coopérer les différentes unités, " a noté Devaraj, professeur au Département de chimie et de biochimie de l'UC San Diego.

Importance du transfert d'informations

Jusqu'à maintenant, les imitateurs cellulaires ont communiqué quelque peu en échangeant de petites molécules; par exemple le sucre et le peroxyde d'hydrogène. Pourtant, ils ne pouvaient pas se parler à travers de grosses protéines moléculaires comme l'insuline ou les facteurs de croissance. De manière basique, c'est comme lorsque nous essayons d'envoyer une pièce jointe volumineuse par e-mail uniquement pour recevoir un message d'erreur. Donc, tout comme il est important pour nous de pouvoir livrer avec succès des informations par e-mail, il est également extrêmement important que les cellules du corps communiquent par le biais de signaux protéiques.

Pour remédier à cette limitation de la synthèse cellulaire artificielle, Devaraj et son équipe ont fabriqué des puces microfluidiques à partir d'un polymère de silicone pour expulser des gouttelettes d'ADN codant pour la protéine fluorescente verte (GFP), minéraux de l'argile et précurseurs du plastique acrylique. Puis, utilisant la lumière ultraviolette et des produits chimiques, ils ont déclenché la formation d'une membrane spongieuse autour de chaque gouttelette, tandis que l'ADN contenu dans chaque gouttelette se condensait en une substance semblable à un gel pour créer un néo-noyau. Les chercheurs ont également donné à leurs imitateurs de cellules la capacité de synthétiser des protéines. Leur méthodologie a permis le transfert d'informations à travers la nouvelle membrane. Le résultat était un mimique cellulaire capable d'envoyer des signaux protéiques aux cellules voisines.

Qualités voisines des cellules Copycat

Selon Niederholtmeyer, ces pseudo-cellules bavardes, "ressemblent et se comportent comme des cellules naturelles mais elles sont faites de matériaux complètement artificiels." D'autres qualités réalistes des imitateurs de cellules incluent la détection de quorum - les changements de comportement parmi les cellules denses, répartition des tâches et différenciation cellulaire en fonction de l'environnement local.

« Nous avons été surpris et enthousiasmés par le fait que nos imitateurs de cellules puissent détecter si précisément leur densité, ce qui signifie qu'ils pouvaient sentir combien de voisins ils avaient, même s'ils n'étaient pas en contact étroit avec eux, " a déclaré Niederholtmeyer. " C'était surprenant car le réseau moléculaire qui a conduit au comportement de détection de quorum dans nos imitateurs de cellules est très différent de la façon dont fonctionne la détection de quorum dans les cellules bactériennes. "

Promesse d'étude future, Collaboration scientifique

Comme des super-héros, les cellules synthétiques sont résilientes, restant intact pendant de longues périodes après avoir été congelé et même à température ambiante. Cette résilience en fait des candidats idéaux pour les capteurs environnementaux, une opportunité pour de futures recherches par les scientifiques de l'UC San Diego. En outre, la stabilité et la programmabilité des imitateurs de cellules les rendent également passionnants pour d'autres scientifiques.

"Ils sont faciles à partager entre les groupes de recherche et peuvent être programmés par l'ADN pour exprimer n'importe quel ARN, protéine ou voie, " a ajouté Niederholtmeyer.

Selon le chercheur postdoctoral, les résultats de l'étude de trois ans présentent de nombreuses utilisations potentielles et des moyens de développer davantage ces imitateurs cellulaires.

"Par exemple, nous avons déjà été contactés par d'autres chercheurs de l'UC San Diego qui aimeraient essayer d'utiliser des matériaux de nos imitateurs cellulaires dans des cellules vivantes pour lutter contre les maladies. Nous sommes également intéressés à développer davantage la membrane, par exemple pour qu'il puisse répondre aux stimuli et le rendre plus biologiquement actif. Nos imitateurs de cellules sont très programmables, " a déclaré Niederholtmeyer. " Un autre avantage important est qu'ils sont si stables, ce qui facilitera le partage de ces imitateurs de cellules dans des projets collaboratifs."

À l'UC San Diego, nos efforts de recherche sont conçus pour changer le monde pour le mieux - grâce à de nouveaux médicaments, des technologies innovantes et plus qui aideront à lutter contre la maladie, sécurité mondiale, politique publique, changement climatique et plus encore.