Vědci vyvinuli světlem ovládaný „sval“, který umožní pohyb syntetickým buňkám a cílenou léčbu

Inženýři usilující o vytvoření umělých buněk, které by mohly doručovat léky do nemocných částí těla, čelí zásadní výzvě: takový buněčný systém potřebuje způsob, jak na povel generovat sílu pro pohyb, změnu tvaru nebo dělení.

Inženýři usilující o vytvoření umělých buněk, které by mohly doručovat léky do nemocných částí těla, čelí zásadní výzvě: takový buněčný systém potřebuje způsob, jak na povel generovat sílu pro pohyb, změnu tvaru nebo dělení. Biologické buňky se pro tyto funkce spoléhají na adenosintrifosfát (ATP), ale některé jednobuněčné organismy, jako jsou nálevníci, používají odlišnou strategii. U nich puls vápníku spouští ultrarychlou kontrakci a ATP je následně využito k přečerpání vápníku zpět do zásob a resetování systému.

Ve studii vedené Georgia Tech a publikované v Nature Communications se výzkumníci naučili, jak využít podobný mechanismus k řízení pohybů umělých proteinových sítí, aniž by se spoléhali na motorové proteiny poháněné ATP. Místo toho použili vápník jako spouštěč pro kontrakci nebo relaxaci sítí. „Pokud inženýři chtějí syntetické buňky, které dokážou dělat buněčné věci, potřebují způsob, jak na povel generovat sílu,“ uvedl Saad Bhamla, spoluautor a docent na Georgia Tech.

Tým vyrobil a vyčistil protein Tcb2 (Tetrahymena thermophila calcium-binding protein 2), který se nachází v nálevnících. Tento protein tvoří vláknitou síť a při vystavení vápníku se stahuje. Vědci v laboratoři rekonstruovali proteinové sítě Tcb2 a poté použili světlocitlivý chelátor vápníku (molekulu, která drží vápník, dokud není osvětlena), aby řídili, kdy a kde se vápník uvolní. Promítali světelné vzory hvězd a kruhů, aby síť přiměli k sestavení a kontrakci do odpovídajících tvarů. Pro nepřetržité „dobíjení“ systému tým pulzoval světlem na proteinové sítě, opakovaně uvolňoval vápník a poháněl cykly sestavování a kontrakce. Síť se dokázala opakovaně stahovat po přibližně 150 cyklů, s rychlostí kontrakce asi 0,4 mikrometru za sekundu.

Tým také prokázal transport mikroskopických částic pomocí sil sítě, což je krok k ovladatelnému pohonu, který by mohl být užitečný v systémech pro doručování léků podobných syntetickým buňkám. Následně vytvořili počítačový model, aby pochopili, jak se Tcb2 rozšiřuje pod různými vstupy. „Pulzování nám umožnilo opakovaně stahovat síť,“ řekl Carlos Floyd, spoluautor a postdoktorand na University of Chicago. „Pomocí simulací a posilovacího učení jsme se naučili generovat světelné vzory, které řídily síť tak, aby tlačila nebo táhla podle našich přání.“

Saad Bhamla přirovnal tento mechanismus k hybridnímu motoru: „Většina molekulárních strojů spaluje ATP přímo, jako benzinový motor. Ale nálevníci používají jiný design. Využívají ATP k dobíjení zásob vápníku a poté puls vápníku spouští ultrarychlý pohyb. Je to blíže k Priusu než k čistě benzinovému motoru. Nabijete vápníkovou ‚baterii‘ a uvolníte ji na povel.“ Ovladatelný generátor síly je chybějící složkou pro mnoho konceptů syntetických buněk a tento světlem řízený vápníkový „motor“ poskytuje jednu cestu k této schopnosti s přesností na umístění sil tam, kde jsou potřeba.