La construction de cellules synthétiques fonctionnelles de bas en haut est un effort continu de scientifiques du monde entier. Leur utilisation dans l'étude des mécanismes cellulaires dans un cadre hautement contrôlé et prédéfini crée une grande valeur pour comprendre la nature ainsi que pour développer de nouvelles approches thérapeutiques. Des scientifiques du 2e Institut de physique de l'Université de Stuttgart et des collègues de l'Institut Max Planck pour la recherche médicale ont pu franchir la prochaine étape vers les cellules synthétiques.

Ils ont introduit des cytosquelettes fonctionnels à base d'ADN dans des compartiments de la taille d'une cellule. Les cytosquelettes sont des composants essentiels de chaque cellule qui contrôlent leur forme, leur organisation interne et d'autres fonctions vitales telles que le transport de molécules entre différentes parties de la cellule. Lors de l'incorporation des cytosquelettes dans les gouttelettes synthétiques, les chercheurs ont également montré la fonctionnalité, y compris le transport de molécules ou l'assemblage et le désassemblage sur certains déclencheurs. Les résultats ont été récemment publiés dans Nature Chemistry .

Défi pour imiter les fonctions du cytosquelette

Le cytosquelette est un composant crucial de chaque cellule et il est composé de diverses protéines. Au-delà de la fonction de base de donner sa forme à la cellule, il est essentiel pour de nombreux processus cellulaires tels que la division cellulaire, le transport intracellulaire de diverses molécules et la motilité en réponse à une signalisation externe. En raison de son importance dans les systèmes naturels, être capable d'imiter sa fonctionnalité dans une configuration artificielle est une étape importante vers la construction et la conception d'une cellule synthétique. Cependant, il présente de nombreux défis en raison de ses diverses exigences, notamment la stabilité ainsi qu'une adaptabilité et une réactivité rapides aux déclencheurs.

Les chercheurs dans le domaine de la biologie synthétique ont déjà utilisé la nanotechnologie de l'ADN pour recréer des composants cellulaires tels que des imitations à base d'ADN de canaux ioniques ou des lieurs cellule-cellule. Pour cela, ils profitent du fait que l'ADN peut être programmé ou conçu pour s'auto-assembler en une forme pré-planifiée par appariement de bases complémentaires.

Les filaments d'ADN comme cytosquelette synthétique

"Les structures d'ADN synthétiques peuvent permettre des tâches hautement spécifiques et programmées ainsi que des possibilités de conception polyvalentes au-delà de ce qui est disponible à partir des outils biologiquement définis. En particulier, l'organisation structurelle des structures d'ADN peut s'écarter de leurs homologues naturels, dépassant même éventuellement la portée de la fonctionnalité de systèmes naturels », déclare Laura Na Liu, professeure au 2e institut de physique de l'université de Stuttgart.

De plus, les chercheurs Paul Rothemund, Elisa Franco et Rebecca Schulman, avaient déjà réussi à assembler l'ADN en filaments à l'échelle du micron, qui constituent la base de la construction d'un cytosquelette. Depuis, ces filaments sont dotés de diverses fonctions, comme le montage et le démontage sur stimulation externe ou à l'intérieur d'un compartiment. Des scientifiques de l'Université de Stuttgart et du MPI for Medical Research ont maintenant franchi l'étape suivante pour construire une cellule artificielle, en utilisant les filaments comme un cytosquelette synthétique et en leur donnant diverses fonctionnalités.

"Il est passionnant de pouvoir également déclencher l'assemblage du cytosquelette d'ADN avec l'ATP, la même molécule que les cellules utilisent pour alimenter différents mécanismes", déclare Kerstin Göpfrich, responsable du groupe de recherche Max Planck au MPI for Medical Research.

Accélérer le transport des vésicules

De plus, l'équipe de scientifiques a pu induire le transport de vésicules le long des filaments en utilisant le mécanisme du pont brûlé introduit par Khalid Salaita. Cela imite le transport des vésicules le long de parties du cytosquelette naturel dans les cellules, appelées microtubules. "Par rapport au transport dans les cellules vivantes, le transport le long de nos filaments d'ADN est encore lent. L'accélérer sera un défi pour l'avenir", déclare Kevin Jahnke, premier auteur partagé de l'article et postdoctorant dans le groupe de Kerstin Göpfrich au MPIMR.

Pengfei Zhan, postdoc dans le groupe dirigé par le professeur Laura Na Liu à Stuttgart, ajoute :« C'était aussi un défi d'affiner les paysages énergétiques des capacités d'assemblage et de désassemblage des filaments de la nanostructure d'ADN. À l'avenir, fonctionnaliser encore plus les filaments d'ADN sera crucial pour imiter encore mieux les cellules naturelles. Ainsi, les chercheurs pourraient créer des cellules synthétiques pour étudier plus en détail les mécanismes cellulaires ou développer de nouvelles approches thérapeutiques. + Explorer plus loin

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