Primeros pasos para producir células artificiales

11/09/2014 - E.P.

Los investigadores crean una membrana variable de citoquesqueleto

La Universidad Técnica de Munich (UTM) ha logrado dar un paso en la producción de células artificiales al conseguir fabricar una membrana variable de citoesqueleto.

"Volver a los orígenes de la célula" se convirtió en el lema del Andreas Bausch, investigador de la TUM y miembro del clúster de excelencia Initiative Nanosystems Múnich (NIM) y sus socios internacionales. Su sueño es crear un modelo simple célula con una función específica utilizando algunos ingredientes básicos. En este sentido están siguiendo el principio de la biología sintética en la que los bloques de construcción celular individuales se ensamblan para crear sistemas biológicos artificiales con nuevas características.

La visión de los biofísicos es crear un modelo de células como con una función biomecánica. Debe ser capaz de moverse y cambiar su forma sin influencias externas. Explican cómo alcanzaron esta meta en la revista Science.

El modelo de los biofísicos comprende una carcasa de membrana, dos tipos diferentes de biomoléculas y algún tipo de combustible. Este envoltorio, a modo de vesícula, está hecho de una membrana de doble capa de lípidos, análogo de las membranas celulares naturales. Los científicos llenaron las vesículas con microtúbulos, componentes tubulares de citoesqueleto y moléculas motoras.

En las células, estas moléculas normalmente funcionan como motores moleculares para transportar los bloques de construcción celular de a lo largo de los microtúbulos. En el experimento, estos motores empujan permanentemente los túbulos uno al lado del otro. Para ello, estas moléculas requieren el portador de energía ATP, que también estaba disponible en la configuración experimental.

Desde un punto de vista físico, los microtúbulos forman un cristal líquido de dos dimensiones debajo de la membrana, que está en un estado permanente de movimiento. "Uno puede imaginarse la capa de cristal líquido como troncos a la deriva en la superficie de un lago", explica Felix Keber, autor principal del estudio. "Cuando llega a estar demasiado congestionado, se alinean en paralelo, pero todavía pueden desplazarse uno junto al otro."

Es decisivo para la deformación de la construcción de la célula artificial que, incluso en su estado de reposo, el cristal líquido siempre debe contener fallos. Los matemáticos explican este tipo de fenómenos por medio del teorema de Poincaré-Hopf, también referido en sentido figurado como el "problema de bola peluda".

Así como no se puede peinar una bola peluda plana sin crear un remolino, siempre habrá algunos microtúbulos que no pueden ponerse completamente en contra de la superficie de la membrana en un patrón regular. En ciertos lugares los túbulos se orientarán algo ortogonalmente el uno al otro - en una geometría muy específica.

Puesto que los microtúbulos de los investigadores en Múnich están en constante movimiento unos junto otros debido a la actividad de las moléculas motoras, las fallas también migran. Sorprendentemente, lo hacen de una manera muy uniforme y de manera periódica, oscilando entre dos orientaciones fijas.

Mientras la vesícula tiene una forma esférica, las fallas no tienen influencia en la forma externa de la membrana. Sin embargo, tan pronto como se elimina el agua por ósmosis, la vesícula comienza a cambiar de forma debido al movimiento dentro de la membrana. Como la vesícula pierde cada vez más agua, la holgura en las formas de membrana se traduce en extensiones con púas como las utilizados por las células individuales para la locomoción.

En este proceso, una fascinante variedad de formas y dinámicas salen a la luz. Lo que parece al azar a primera vista está, de hecho, siguiendo las leyes de la física. Así es como los científicos lograron descifrar una serie de principios básicos como el comportamiento periódico de las vesículas. Estos principios, a su vez, sirven de base para hacer predicciones en otros sistemas.

"Con nuestro modelo biomolecular sintético hemos creado una nueva opción para el desarrollo de modelos celulares mínimos", explica Bausch. "Es ideal para el aumento de la complejidad de forma modular con el fin de reconstruir los procesos celulares como la migración celular o la división celular de una manera controlada. Que el sistema creado artificialmente pueda describirse exhaustivamente desde una perspectiva física nos da la esperanza de poder descubrir los principios básicos que hay trás las deformaciones celulares múltiples".