Les protocellules (cellules artificielles) qui sont actives et imitent les cellules vivantes en se déplaçant indépendamment et qui sont biocompatibles et actives sur le plan enzymatique sont désormais possibles grâce à une méthode améliorée développée par les chercheurs de Penn State.

Les cellules vivantes sont difficiles à cultiver en laboratoire, les chercheurs travaillent donc parfois avec des cellules synthétiques, mais ceux-ci ont eu des limites de recherche car ils manquent de caractéristiques cellulaires réelles.

"L'un des défis de la recherche cellulaire est qu'il est parfois très difficile de mener des expériences contrôlées sur la motilité d'une cellule, en particulier en raison de l'activité enzymatique de surface, " a déclaré Darrell Velegol, professeur distingué de génie chimique. "L'équipe de recherche a développé un moyen simple de fabriquer une cellule artificielle qui ne fait pas tout ce qu'une cellule ordinaire fait, comme reproduire, avoir des mutations génétiques ou quelque chose comme ça, mais il bouge activement. C'est important parce que la façon dont les cellules se déplacent est mal comprise, en particulier comment l'activité des enzymes joue dans le mouvement cellulaire."

Les protocellules de l'équipe sont utilisées pour étudier comment l'activité d'enzymes naturelles comme l'ATPase peut propulser le mouvement actif des protocellules. Le processus biochimique de l'enzyme ATPase implique la conversion de l'ATP (adénosine triphosphate) en produit ADP (adénosine diphosphate). L'ATP est un produit chimique organique complexe qui fournit de l'énergie aux cellules vivantes et l'ADP est un composé organique qui joue un rôle important dans la façon dont les cellules libèrent et stockent l'énergie.

"Des tentatives d'expériences similaires au cours de la dernière décennie ont permis d'incorporer les enzymes à l'intérieur de sacs de la taille d'un micron appelés vésicules polymères, ou attaché à la surface de particules dures, " a déclaré Subhadip Ghosh, chercheur postdoctoral en chimie. "Mais ces tentatives n'avaient pas de ressemblance biologique significative comme nos protocellules."

Dans les expériences de l'équipe de recherche, les protocellules ont de véritables membranes artificielles composées d'un lipide naturel appelé phosphatidylcholine. Les enzymes ATPase ont été incorporées directement dans la membrane.

"Nos résultats donnent essentiellement à d'autres chercheurs les premiers pas vers la fabrication de cellules artificielles à activité enzymatique, " dit Gosh.

Un résultat inattendu de l'étude, qui a été mis en ligne en août 2019 avant la publication finale le 11 septembre, 2019 dans un numéro de Lettres nano , s'est produit au cours d'expériences de diffusion qui ont été effectuées à un seul régime moléculaire. Comme prévu, le mouvement des protocellules était faible pour de faibles concentrations d'ATP.

"Assez surprenant, le mouvement des protocellules a chuté de manière significative à une concentration élevée d'ATP, " a déclaré Ayusman Sen, le professeur de chimie Verne M. Willaman à Penn State.

Selon les chercheurs, c'était aussi contre-intuitif que d'appuyer sur la pédale d'accélérateur d'une automobile et de faire ralentir le véhicule. Après avoir effectué des expériences de contrôle complètes, les chercheurs ont conclu que lorsque la concentration d'ADP est élevée, il peut se lier à l'ATPase et supprimer l'activité ATP du substrat, provoquant une réduction de la motilité.

Avoir la capacité de fabriquer les protocellules enzymatiquement actives ouvre de nouvelles opportunités. Armé de ces imitateurs de cellules vivantes mobiles, les chercheurs visent à révéler les mécanismes fondamentaux régissant la dynamique membranaire active et le mouvement cellulaire. Étant donné la compréhension limitée actuelle de la façon dont les cellules se déplacent, y compris comment l'action enzymatique joue dans le mouvement cellulaire, les membres de l'équipe de recherche croient que leur travail peut avoir des implications importantes pour la recherche médicale future.

"Un défi clé est d'estimer les forces mécaniques qui entraînent le mouvement de la protocellule, et découvrir des changements dans la structure enzymatique au cours de ce processus, " dit Farzad Mohajerani, assistant de recherche en génie chimique. « Connaître cette relation structure-fonction pour le mouvement des protocellules permettra leur conception pour des applications potentielles in vivo telles que la détection médicale et l'analyse en laboratoire. »