Des “squelettes” cellulaires construits avec des brins d’ADN

Les minuscules tubes et structures filiformes qui donnent aux cellules leur forme et aident à déterminer leur fonction ont été recréés artificiellement à l’aide de brins d’ADN dans une étude menée par des chercheurs de l’UCL.

La recherche, publiée dans Communication Naturereprésente une étape clé vers des «cellules intelligentes» synthétiques qui pourraient être utilisées pour détecter des maladies, administrer des médicaments ou réparer des cellules endommagées à l’intérieur du corps.

Les cellules, d’une taille d’environ un millième de millimètre, sont les unités fondamentales de toute vie. Ils contiennent des «squelettes» constitués de protéines qui remplissent un certain nombre de fonctions, telles que fournir un soutien structurel, aider la cellule à se déplacer et transporter des matériaux à l’intérieur de la cellule.

Recréer ces tubes et fils à l’aide de protéines est un défi. Les chercheurs ont donc utilisé des brins d’ADN comme blocs de construction et ont pu personnaliser avec précision les dimensions des structures (d’environ 20 à 400 nanomètres d’épaisseur) et la rigidité (de flexible à ultra- rigide).

Ces tubes et fils étaient intégrés à l’intérieur de sacs ressemblant à des cellules et enduits à l’extérieur des sacs – fonctionnant comme un cytosquelette (à l’intérieur de la cellule) ou un exosquelette (à l’extérieur de la cellule). La plupart des bactéries ont ce qui peut être décrit comme un exosquelette, alors que les plantes, les animaux et les autres organismes multicellulaires ont un cytosquelette.

Il a été constaté que les tubes et les fils stabilisaient les sacs (vésicules), réduisant ainsi le risque de rupture, de la même manière que ces structures squelettiques fonctionnent dans de vraies cellules.

L’équipe a également pu contrôler l’emplacement exact des tubes et des fibres en temps réel lorsqu’ils se trouvaient à l’intérieur des vésicules en attachant des nanoparticules magnétiques aux structures à l’aide d’un aimant externe.

L’auteur principal, le Dr Jonathan Burns (UCL Chemistry), a déclaré: «L’ADN est utilisé par la nature pour stocker des informations génétiques, mais il peut également être utilisé comme matériau de construction pour construire des nanostructures. Nous avons reprogrammé l’ADN pour former des structures squelettiques synthétiques à l’intérieur de cellules et de tissus modèles.

« Nous pensons que ce travail peut aider à débloquer de futures cellules intelligentes capables de détecter les maladies, de réparer les cellules endommagées en fusionnant avec elles et de délivrer des médicaments de manière plus ciblée – par exemple, en transportant un médicament ou un antibiotique et en le libérant exactement là où il se trouve. nécessaire dans le corps.

« Cette étude initiale a donné des signes prometteurs que ces protocellules peuvent avoir une toxicité limitée pour les humains et la prochaine étape consiste à passer du laboratoire aux animaux pour étudier plus avant comment ces protocellules interagissent avec les tissus vivants.

“Nous devons nous assurer qu’ils sont stables dans le corps et capables de circuler dans le sang – nous pouvons ensuite les adapter pour cibler les cancers ou les bactéries pathogènes.”

De plus, les chercheurs ont montré comment leurs protocellules pouvaient se combiner pour former quelque chose d’analogue au tissu vivant. Ils ont placé les protocellules dans une solution d’eau et de sucre. Les cellules coulaient (car elles étaient plus lourdes que la solution) et l’évaporation de l’eau induisait un courant tourbillonnant qui poussait les cellules ensemble. L’équipe a pu lier ces cellules plus étroitement ensemble en plaçant des nanotubes ou des fibres à l’extérieur des cellules (donnant aux cellules un aspect « poilu »). Cela a fait perdre aux cellules leur forme sphérique et former un motif en nid d’abeille.

Le premier auteur, le Dr Nishkantha Arulkumaran (Division de médecine de l’UCL), a déclaré: «Beaucoup des éléments constitutifs que nous avons utilisés dans ces protocellules se produisent naturellement dans le corps et nous espérons étendre cela afin de pouvoir créer des cellules intelligentes entièrement à partir de substances telles que les lipides qui sont se trouve habituellement dans notre corps et peut donc facilement être décomposé et recyclé ou jeté.

Les chercheurs ont créé les tubes et les fils en plaçant des brins d’ADN dans une solution de chlorure de magnésium, qui est chauffée puis refroidie à une vitesse fixe d’un demi-degré par minute. Cela a déclenché l’auto-assemblage de l’ADN dans une structure ordonnée. En faisant varier la concentration en magnésium de la solution, les chercheurs ont pu déterminer les dimensions et la rigidité de la structure.

Pour former les vésicules et obtenir les nanostructures à l’intérieur de ces vésicules, l’équipe a utilisé une méthode établie, en plaçant les nanostructures dans une solution d’eau et de sucre (saccharose) et en ajoutant cela à une couche d’huile et de lipides et une autre couche de glucose.

L’essorage (centrifugation) de cette combinaison de substances a donné des gouttelettes d’huile avec une membrane composée d’une double couche de lipides, imitant la membrane qui sépare les cellules du monde extérieur, les nanostructures migrant à l’intérieur de ces gouttelettes.

La recherche a été soutenue par le Rosetrees Trust et le Medical Research Council.

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