Crean una célula artificial capaz de orientarse utilizando solo la química

Un equipo de investigación del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) ha creado la célula artificial más sencilla del mundo capaz de navegar químicamente, migrando hacia sustancias específicas como lo hacen las células vivas. Este avance, publicado en la revista científica Science Advances, demuestra cómo se pueden programar burbujas microscópicas para seguir rastros químicos. El estudio describe el desarrollo de una "célula mínima" en forma de vesícula lipídica que encapsula enzimas capaces de autopropulsarse a través de la quimiotaxis.

El transporte celular es un aspecto vital de muchos procesos biológicos y un hito clave en la evolución. Entre todos los tipos de movimiento, la quimiotaxis es una estrategia esencial utilizada por muchos sistemas vivos para moverse hacia señales beneficiosas, como nutrientes, o alejarse de las dañinas.

«Las bacterias dependen de ella para encontrar alimento, los glóbulos blancos la utilizan para llegar a los focos de infección e incluso los espermatozoides navegan hacia el óvulo a través de la quimiotaxis», explica Bárbara Borges Fernandes, estudiante de doctorado en el grupo de Biónica Molecular del IBEC, profesora de la Facultad de Física de la Universidad de Barcelona y primera autora del estudio. «Lo que nos parece especialmente fascinante es que este tipo de movimiento dirigido puede producirse incluso sin la compleja maquinaria que suele intervenir, como los flagelos o las intrincadas vías de señalización molecular. Al recrear la quimiotaxis en un sistema sintético mínimo, nuestro objetivo es descubrir los principios fundamentales que hacen posible este movimiento», añade.

Ser capaz de diseñar una célula artificial podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo las unidades celulares impulsan la evolución hacia estructuras más complejas. "Estas células sintéticas son como planos para el sistema de navegación de la naturaleza", dice el autor principal, el profesor Giuseppe Battaglia, profesor de investigación ICREA en el IBEC, investigador principal del Grupo de Biónica Molecular y líder del estudio. "Construimos simple para comprender en profundidad".

Liposomas y poros: barcos y motores

Para lograrlo, el equipo de investigación estudió cómo se mueven estas pequeñas “células” en forma de vesículas en gradientes de dos sustratos: glucosa y urea. Encapsularon enzimas de glucosa oxidasa o ureasa dentro de liposomas -vesículas basadas en lípidos-, para convertir la glucosa y la urea en sus respectivos productos finales. A continuación, modificaron los liposomas añadiendo una proteína de membrana. Esta proteína forma poros en la pared del liposoma que actúan como un canal a través del cual los sustratos entran en la célula sintética y los productos de las reacciones salgan.

Se sabe que para que tenga lugar el movimiento activo debe haber una ruptura de la simetría. Al atrapar las enzimas dentro de la partícula y utilizar los poros como los principales puntos de intercambio, se genera una diferencia en la concentración química alrededor de la partícula. Esto provoca un flujo de fluido a lo largo de la superficie de la vesícula y dirige el movimiento de la partícula. Es como si el liposoma fuera un pequeño barco y el poro y la enzima fueran su motor y su sistema de navegación.

Del transporte pasivo a la quimiotaxis activa

Los científicos analizaron el transporte de más de 10.000 vesículas dentro de canales microfluídicos con gradientes de glucosa o ureasa para comprender el comportamiento general de estas partículas. Estudiaron las trayectorias de vesículas con un número variable de poros y las compararon con las trayectorias de vesículas de control que carecían de poros.

«Observamos que las vesículas de control se desplazan hacia concentraciones de sustrato más bajas debido a efectos pasivos, distintos de la quimiotaxis. A medida que aumenta el número de poros en las vesículas, también lo hace el componente quimiotáctico. Eventualmente, esto invierte la dirección del movimiento, haciendo que las vesículas se desplacen hacia áreas con mayores concentraciones de sustrato", explica Borges.

Estos resultados son prometedores desde el punto de vista bioquímico porque los elementos estudiados están presentes en la estructura de la gran mayoría de las células.

«Observamos detenidamente cómo se mueven las vesículas. Son pequeñas burbujas que esconden los secretos sobre cómo las células se hablan entre sí, cómo transportan la carga de la vida. Pero la maquinaria de la biología es ruidosa ¡tiene demasiadas piezas! Así que hacemos trampa y lo reconstruimos de forma simplificada, con solo tres piezas: una membrana, una enzima y un poro. Sin complicaciones, las reglas antes ocultas ahora salen a la luz. Ese es el poder de la biología sintética: desmontamos un rompecabezas hasta sus huesos y, de repente, somos capaces de ver la música en el caos. Lo que antes parecía un embrollo, ahora pasa a ser química, pura y elegante, haciendo más con menos», describe Battaglia.

El estudio se ha realizado en colaboración con el equipo de José Miguel Rubí en la Universidad de Barcelona (UB), quienes han realizado las predicciones teóricas. El estudio también ha contado con la participación del Instituto de Física de Sistemas Vivos y el Departamento de Química del University College London, la Universidad de Liverpool, el Instituto Biofisika (CSIC-UPV/EHU) y la Fundación Ikerbasque para la Ciencia.