Imagina una célula artificial que no solo imita la forma de una natural, sino que también puede crecer, cambiar de forma y responder a su entorno como si estuviera viva. Esta visión ha dejado de ser ciencia ficción.
En un avance histórico, científicos de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill han creado las primeras células sintéticas totalmente programables. Estas estructuras artificiales se comportan como organismos vivos: se ensamblan, se dividen, reaccionan a estímulos y hasta modifican su forma.
Según el estudio publicado en Nature Chemistry, este logro fue posible gracias a una combinación de tecnología de ADN y diseño racional de péptidos. Juntos, estos componentes permiten crear citoesqueletos artificiales que imitan el comportamiento celular.
El secreto: un citoesqueleto hecho de ADN y péptidos
Uno de los elementos esenciales de las células vivas es el citoesqueleto, una red interna que actúa como andamiaje estructural y regula funciones como la división, el movimiento y la forma celular. Los investigadores lograron construir un citoesqueleto artificial usando una combinación innovadora de péptidos autoensamblables y secuencias de ADN híbridas.
Inspirados por las proteínas que regulan el citoesqueleto natural, los científicos diseñaron una biblioteca de enlazadores péptido-ADN con diferentes longitudes, geometrías y valencias. Estos elementos permiten unir filamentos de péptidos de manera programable, dando lugar a estructuras jerárquicas que se ensamblan en formas ordenadas, como haces delgados o redes complejas.
Lo sorprendente es que la organización espacial de estos haces puede ser ajustada simplemente modificando el tipo de secuencia de ADN utilizada. Algunas combinaciones inducen que las estructuras se localicen en el centro de una gota (imitando el citoplasma), mientras que otras las empujan hacia la periferia (simulando una corteza celular).
Las células artificiales pueden cambiar de forma y reaccionar
Uno de los aspectos más impresionantes del estudio es que estas células artificiales pueden modificar su estructura interna en respuesta al calor. Esto se logra aprovechando la temperatura de fusión del ADN, un punto en el que las hebras de ADN se separan. Al calentar estas células sintéticas, los enlaces de ADN entre los filamentos de péptidos se disuelven, lo que provoca un reordenamiento estructural.
Durante los experimentos, los investigadores observaron que las gotitas que contenían estas estructuras se deformaban o formaban protrusiones similares a filopodios, estructuras presentes en células reales. Esto sugiere que las células artificiales pueden responder de manera dinámica a su entorno, ajustando su forma como lo haría una célula viva.
Esta capacidad de cambio no solo depende del calor. También es posible controlar la forma y organización interna de las células artificiales variando la concentración de ADN, la longitud de los enlazadores y el tipo de confinamiento utilizado. En otras palabras, estas estructuras pueden programarse para comportarse de manera específica.
Controlando la difusión de sustancias como una célula viva
Las células naturales regulan qué sustancias pueden entrar, salir o desplazarse en su interior. Para imitar esta función, los investigadores introdujeron partículas microscópicas dentro de las células artificiales y analizaron su movimiento.
Los resultados fueron sorprendentes. En células sintéticas sin enlaces de ADN, las partículas se desplazaban libremente, como si estuvieran en agua. Pero en aquellas con redes de péptido-ADN densamente entrecruzadas, las partículas quedaban atrapadas o mostraban un movimiento muy restringido.
Esto indica que el citoesqueleto artificial puede modular la movilidad de las moléculas, al igual que lo hacen las células reales con sus componentes internos. Además, los investigadores demostraron que es posible unir moléculas específicas al citoesqueleto usando secuencias de ADN complementarias y liberarlas posteriormente mediante una técnica conocida como “desplazamiento por invasores”.
Células artificiales reforzadas con membranas lipídicas
Para llevar esta tecnología un paso más allá, los científicos encapsularon las estructuras en gotas recubiertas con una membrana lipídica, similar a la que rodea a las células vivas. Estas “células” artificiales mostraron cambios de forma al ser sometidas a calor, incluyendo la aparición de protrusiones parecidas a filopodios.
Lo más interesante es que el tipo de respuesta al calor dependía del tipo de citoesqueleto interno. Las estructuras más flexibles se reorganizaban más rápido, mientras que las más densas ofrecían mayor resistencia a los cambios. Esta relación entre estructura interna y forma externa es un aspecto fundamental de las células reales, y ahora también de las artificiales.
También se observó que estas células sintéticas, al igual que las naturales, son sensibles al tamaño. Las más pequeñas se deforman con mayor facilidad, lo que indica que el confinamiento espacial influye en el comportamiento de los citoesqueletos artificiales.
Un paso hacia células sintéticas con funciones reales
Este trabajo no solo representa un hito técnico en la biología sintética, sino que abre nuevas posibilidades para la ingeniería celular. Según el estudio publicado en Nature Chemistry, la plataforma de péptido-ADN podría adaptarse para crear células artificiales con funciones específicas: sensores, sistemas de liberación controlada de fármacos o incluso reactores bioquímicos.
Gracias a su diseño modular, los investigadores pueden ajustar las propiedades de estas células modificando las secuencias de ADN, las condiciones de ensamblaje o los lípidos de membrana. Además, se espera que esta tecnología pueda integrarse con proteínas naturales o enzimas para construir redes biocompatibles con nuevas funciones.
El hecho de que estas células artificiales puedan comportarse como vivas, sin contener ningún genoma, representa una frontera emocionante entre la química, la biología y la ingeniería. Como concluye el estudio, las arquitecturas péptido-ADN son una herramienta poderosa para construir células sintéticas con comportamientos emergentes.
Daly, M. L., Nishi, K., Klawa, S. J., Hinton, K. Y., Gao, Y., & Freeman, R. (2024). Designer peptide–DNA cytoskeletons regulate the function of synthetic cells. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-024-01509-w