Levensechte cellen kunnen nu communiceren over lange afstanden door signaalversterking
Publicatie in Nature Communications voor onderzoekers TU/e in het vakgebied Synthetische Biologie.
Onderzoekers hebben grote verwachtingen van kunstmatige cellen. Deze replica’s van biologische cellen in het laboratorium kunnen een licht werpen op de manier waarop levende organismes werken. Veel vooruitgang is geboekt in hoe de kunstmatige cellen geconstrueerd moeten worden, terwijl het fenomeen achter hun communicatie en hun gedrag veelal nog in mist gehuld is. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en Radboud Universiteit (Nijmegen) hebben gemeenschappen van kunstmatige cellen ontwikkeld die met elkaar communiceren met ongekende kracht. Hun studies bevorderen de ontwikkeling van kunstmatige cellen, die door hun onderlinge verbondenheid informatie bijvoorbeeld gebruikt zouden kunnen worden om medicijnen preciezer te bezorgen bij hun doel, kankercellen te verslaan, of zelfs de precisie van diagnostieke tests te verbeteren. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Nature Communications.
Signaalprocessen cellen
Biologische cellen benutten een variëteit aan signaalprocessen om met elkaar informatie uit te wisselen en hun omgeving te ‘voelen’. Om te begrijpen hoe cellen hun gedrag coördineren door communicatie met elkaar, hebben onderzoekers van over de hele wereld grote stappen gezet in het maken van cellen en het namaken van hun communicatienetwerken in het laboratorium. Alleen tot voorkort lag de focus op het ontwerp van kunstmatige cellen die functioneren in isolatie.
Gemeenschappen
“Levende systemen opereren over het algemeen niet in isolatie. Ze zijn daarentegen vaak nauw verbonden en werken samen of zijn in competitie”, legt Jan van Hest uit, professor aan de faculteiten Biomedische Technologie en Scheikundige Technologie, en directeur van het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen aan de TU/e. Om deze reden heeft hij samen met dr. Bastiaan Buddingh gemeenschappen kunstmatige cellen ontwikkeld in plaats van individuele cellen. Om deze op te bouwen, gebruikten zij grote blaasjes gemaakt van fosfolipiden, het voornaamste bestanddeel van de buitenste laag van dierlijke cellen.
Zender en ontvanger
Om intercellulaire communicatie te bestuderen, hebben de onderzoekers twee gemeenschappen ontwikkeld: één die chemische signalen produceert (‘zenders’) en één die geprogrammeerd is om chemische signalen waar te nemen (‘ontvangers’). Meer specifiek reageren de zenders op een externe trigger en verwerken dit in een signaalmolecuul dat vrijgelaten wordt. Dit signaalmolecuul verspreidt zich door de extracellulaire omgeving tot het een ontvanger bereikt, welke het chemische signaal herkent en activeert in reactie op de informatie doorgegeven door de zender.
Schematisch overzicht van de communicatie tussen twee populaties kunstmatige cellen via signaalversterking. Illustratie: Bastiaan Buddingh.
Signaalversterking
“Afhankelijk van de afstand tussen de zenders en ontvangers, kan de concentratie van signaalmoleculen erg laag zijn bij aankomst bij een ontvanger”, leggen Buddingh en Van Hest uit. “Signaalversterking is daarom belangrijk voor de activatie van de ontvangers. We hebben de ontvangers met een specifiek enzym geladen dat lage concentraties van signaalmoleculen kan verwerken, wat resulteerde in een versterking van het signaal aan de kant van de ontvanger. Dit faciliteert ook de verspreiding van signalen over grote afstanden. Op een zeker moment zouden we netwerken kunnen maken waarin verschillende soorten kunstmatige cellen met gespecialiseerde functies samenwerken in gemeenschappen, net zoals het gebeurt in biologische weefsels.”
Deze studie was gepubliceerd op April 3 in Nature Communications, met de titel: “Intercellular Communication between Artificial Cells by Allosteric Amplification of a Molecular Signal”, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-15482-8. Het onderzoek is gefinancieerd door het zwaartekrachtprogramma Functional Molecular Systems en de ERC (Advanced grant Artisym).
Credits: Vincent van den Hoogen, TU/e (foto) Bastiaan Buddingh (infographic).
Bron: TU/e