Os pesquisadores desenvolveram estruturas semelhantes a células artificiais usando matéria inorgânica que ingerem, processam e expulsam material autonomamente – recriando uma função essencial das células vivas.
Seu artigo, publicado na Nature, fornece um plano para a criação de “simuladores de células”, com aplicações potenciais que vão desde a entrega de drogas à ciência ambiental.
Uma função fundamental das células vivas é sua capacidade de coletar energia do ambiente para bombear moléculas para dentro e para fora de seus sistemas. Quando a energia é usada para mover essas moléculas de áreas de concentração mais baixa para áreas de concentração mais alta, o processo é chamado de transporte ativo. O transporte ativo permite que as células absorvam moléculas necessárias, como glicose ou aminoácidos, armazenem energia e extraiam resíduos.
Durante décadas, os pesquisadores trabalharam para criar células artificiais – estruturas microscópicas projetadas que emulam as características e o comportamento das células biológicas. Mas esses simuladores celulares tendem a não ter a capacidade de realizar processos celulares complexos, como o transporte ativo.
No estudo da Nature, pesquisadores da New York University e da University of Chicago descrevem um novo simulador de células totalmente sintético que está um passo mais perto de replicar a função de células vivas. Quando implantado em misturas de diferentes partículas, os simuladores de células podem realizar tarefas de transporte ativo, capturando, concentrando, armazenando e entregando carga microscópica autonomamente. Essas células artificiais são fabricadas com o mínimo de ingredientes e não tomam emprestado nenhum material da biologia.
Para projetar os simuladores celulares, os pesquisadores criaram uma membrana esférica do tamanho de um glóbulo vermelho usando um polímero, um substituto para a membrana celular que controla o que entra e sai de uma célula. Eles perfuraram um orifício microscópico na membrana esférica, criando um nanocanal através do qual a matéria pode ser trocada, imitando o canal de proteína de uma célula.
Mas, para realizar as tarefas necessárias para o transporte ativo, a imitação celular precisava de um mecanismo para alimentar a estrutura semelhante a uma célula para puxar e expelir o material. Em uma célula viva, as mitocôndrias e o ATP fornecem a energia necessária para o transporte ativo. Na simulação celular, os pesquisadores adicionaram um componente quimicamente reativo dentro do nanocanal que, quando ativado pela luz, atua como uma bomba. Quando a luz atinge a bomba, ela desencadeia uma reação química, transformando a bomba em um vácuo minúsculo e puxando a carga para a membrana. Quando a bomba é desligada, a carga é presa e processada dentro da simulação de célula. E quando a reação química é revertida, a carga é empurrada para fora conforme a demanda.
“Nosso conceito de design permite que esses simuladores de células artificiais operem de forma autônoma e realizem tarefas de transporte ativo que até agora estavam confinados ao reino das células vivas”, disse Stefano Sacanna, professor associado de química da NYU e principal autor do estudo. “No centro do design da estrutura semelhante a uma célula está a sinergia entre um elemento ativo que a alimenta de dentro e as restrições físicas impostas pelas paredes celulares, permitindo-lhes ingerir, processar e expelir corpos estranhos.”
Os pesquisadores testaram os simuladores celulares em diferentes ambientes. Em um experimento, eles suspenderam os simuladores celulares em água, ativaram-nos com luz e os observaram ingerindo partículas ou impurezas da água ao seu redor, ilustrando uma aplicação potencial para limpar poluentes microscópicos da água.
“Pense nos imitadores de células como o videogame PAC-MAN – eles andam comendo os poluentes e removendo-os do meio ambiente”, disse Sacanna.
Em outro experimento, eles demonstraram que os simuladores celulares podem engolir a bactéria E. coli e prendê-la dentro da membrana, potencialmente oferecendo um novo método para combater bactérias no corpo. Outra aplicação futura para os mimetizadores de células poderia ser a entrega de drogas, uma vez que eles podem liberar uma substância pré-carregada quando ativados.
Os pesquisadores continuam a desenvolver e estudar imitações de células, incluindo a construção de outras que realizam diferentes tarefas e aprendendo como diferentes tipos se comunicam entre si.
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