Crean células artificiales que imitan la función vital de las células biológicas

Los investigadores han desarrollado estructuras artificiales similares a las células utilizando materia inorgánica que ingieren, procesan y expulsan material de forma autónoma, recreando una función esencial de las células vivas, según publican en la revista 'Nature'.

El estudio ofrece un modelo para crear "imitaciones de células", con aplicaciones potenciales que van desde la administración de fármacos hasta la ciencia medioambiental.

Una función fundamental de las células vivas es su capacidad de recoger energía del entorno para bombear moléculas dentro y fuera de sus sistemas. Cuando se utiliza la energía para mover estas moléculas desde zonas de menor concentración a zonas de mayor concentración, el proceso se denomina transporte activo. El transporte activo permite a las células tomar las moléculas necesarias, como la glucosa o los aminoácidos, almacenar energía y extraer los residuos.

Desde hace décadas, los investigadores trabajan en la creación de células artificiales, es decir, estructuras microscópicas diseñadas que emulan las características y el comportamiento de las células biológicas. Pero estas imitaciones celulares suelen carecer de la capacidad de realizar procesos celulares complejos como el transporte activo.

En el estudio, investigadores de la Universidad de Nueva York y la Universidad de Chicago describen un nuevo imitador celular totalmente sintético que está un paso más cerca de replicar la función de las células vivas.

Cuando se despliegan en mezclas de diferentes partículas, los imitadores celulares pueden realizar tareas de transporte activo capturando, concentrando, almacenando y entregando de forma autónoma cargas microscópicas. Estas células artificiales se fabrican con ingredientes mínimos y no toman prestados materiales de la biología.

Para diseñar las imitaciones celulares, los investigadores crearon una membrana esférica del tamaño de un glóbulo rojo utilizando un polímero, un sustituto de la membrana celular que controla lo que entra y sale de una célula. Perforaron un agujero microscópico en la membrana esférica creando un nanocanal por el que se puede intercambiar materia, imitando el canal de proteínas de una célula.

Pero para realizar las tareas necesarias para el transporte activo, los imitadores de la célula necesitaban un mecanismo que impulsara la estructura similar a la de la célula para atraer y expulsar material. En una célula viva, las mitocondrias y el ATP proporcionan la energía necesaria para el transporte activo.

En la imitación de la célula, los investigadores añadieron un componente químicamente reactivo en el interior del nanocanal que, al ser activado por la luz, actúa como una bomba. Cuando la luz incide en la bomba, desencadena una reacción química que convierte la bomba en un pequeño vacío y arrastra la carga hacia la membrana. Cuando la bomba se desactiva, la carga queda atrapada y se procesa en el interior de la célula. Y cuando se invierte la reacción química, la carga se expulsa a demanda.

"Nuestro concepto de diseño permite que estos imitadores celulares artificiales funcionen de forma autónoma y realicen tareas de transporte activo que hasta ahora se limitaban al ámbito de las células vivas", explica Stefano Sacanna, profesor asociado de química de la NYU y autor principal del estudio.

"En el corazón del diseño de la estructura similar a una célula está la sinergia entre un elemento activo que la impulsa desde el interior y las limitaciones físicas impuestas por las paredes celulares, lo que les permite ingerir, procesar y expulsar cuerpos extraños", añade.

Los investigadores probaron las imitaciones celulares en diferentes entornos. En un experimento, suspendieron las imitaciones celulares en el agua, las activaron con luz y observaron que ingerían partículas o impurezas del agua que las rodeaba, lo que ilustra una posible aplicación para la limpieza de contaminantes microscópicos del agua.

"Piensa en los imitadores de células como en el videojuego PAC-MAN: van comiendo los contaminantes y los eliminan del entorno", explica Sacanna.

En otro experimento, demostraron que los imitadores celulares pueden tragar bacterias 'E. coli' y atraparlas dentro de la membrana, lo que podría ofrecer un nuevo método para combatir las bacterias en el cuerpo. Otra aplicación futura de los imitadores celulares podría ser la administración de fármacos, dado que pueden liberar una sustancia precargada cuando se activan.

Los investigadores siguen desarrollando y estudiando los imitadores celulares, incluso construyendo otros que realicen diferentes tareas y aprendiendo cómo se comunican los distintos tipos entre sí.