Crear sistemas artificiais que imiten o funcionamento das células é un dos obxectivos da chamada bioloxía sintética. Estes modelos, coñecidos como células sintéticas ou biomiméticas, permiten reproducir en laboratorio algúns dos procesos básicos da vida para entender mellor como funcionan as células naturais e desenvolver novas tecnoloxías.
Neste contexto sitúase un novo estudo no que participa un equipo de investigadores do Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) da Universidade de Santiago (USC), que propón unha estratexia química máis flexible para crear este tipo de sistemas. O obxectivo, segundo explican, é deseñar estruturas que imiten certas funcións celulares e que poidan utilizarse como pequenos reactores químicos. “A idea é intentar replicar funcións celulares a nivel de encapsulación de encimas de comunicación”, explica o investigador Lucas García, referíndose a sistemas artificiais capaces de recrear procesos que nas células reais permiten, por exemplo, que diferentes reaccións teñan lugar dentro dun mesmo compartimento.
Un dos principais retos á hora de desenvolver este tipo de sistemas é a complexidade do proceso experimental. Habitualmente, cando os investigadores queren modificar as propiedades dun material ou probar novas formulacións, teñen que seguir unha longa cadea de pasos que inclúe o deseño do polímero, a súa síntese no laboratorio, a purificación e a caracterización. Para evitar ese proceso repetitivo, o equipo apostou por unha estratexia distinta: empregar enlaces químicos reversibles que permiten modificar as propiedades do sistema directamente na disolución. Deste xeito, en lugar de ter que crear unha gran colección de compostos distintos, os científicos poden partir dun único material e axustar o seu comportamento engadindo pequenas moléculas. O resultado é un método máis eficiente que facilita explorar rapidamente diferentes posibilidades experimentais.
Pequenos compartimentos que funcionan como fábricas químicas
Para crear estes sistemas biomiméticos, os investigadores empregaron unha estratexia baseada na chamada química covalente dinámica con boronatos, un tipo de enlaces que poden formarse e romperse de maneira reversible en disolución acuosa. Grazas a esta propiedade, é posible modificar as características do sistema simplemente engadindo determinadas moléculas. No estudo, o equipo partiu dun polímero soluble en auga que, ao interactuar con outras moléculas de carga oposta chamadas catecois, é capaz de separarse da disolución e formar pequenas gotas microscópicas coñecidas como coacervados, que funcionan como compartimentos químicos.
Estas microgotas lembran, en certa medida, ao interior dunha célula. “O sistema per se, o orixinal, emularía o que é o citoplasma, porque ten un ambiente que está cargado de macromoléculas”, explica o investigador Bruno Delgado. Ademais, os investigadores conseguiron rodear estas estruturas cunha especie de membrana artificial empregando un copolímero anfifílico (un polímero con partes que aman a auga e outras que a repelen), un material que se sitúa na superficie da gota e a separa do medio que a rodea. Esta capa funciona de maneira similar á membrana das células reais, permitindo controlar que moléculas poden entrar ou saír.
No interior destas estruturas tamén se poden introducir encimas, proteínas que aceleran reaccións químicas. Deste xeito, cada gota pode actuar como unha pequena “fábrica química” microscópica onde teñen lugar diferentes procesos. “Un reactor que permite acelerar as cinéticas de reacción, permite comunicar entre dúas poboacións diferentes de sistemas”, sinala Lucas García, referíndose a que estas estruturas poden producir moléculas que despois interactúan con outras similares.
Resultados que sorprenderon aos propios investigadores
Un dos achados que máis chamou a atención do equipo foi como a incorporación de pequenas moléculas chamadas dopantes aumentaba a actividade dos encimas encapsulados no interior das microgotas. “Pensabamos que a actividade ía reducirse e ao final foi ao contrario, aumentámola ao engadir os dopantes”, comenta Bruno Delgado. Este efecto inesperado amosou que, ademais de modular propiedades físicas como a estabilidade ou a forma das gotas, tamén era posible influír directamente no comportamento químico interno, un aspecto clave para desenvolver sistemas máis complexos que funcionen de maneira controlada.
Outro elemento sorprendente foi o comportamento do copolímero que forma a membrana artificial ao redor das microgotas. Segundo explican os investigadores, a súa interacción co sistema dependía das condicións do experimento, e descubrir como se estabilizaban as estruturas foi un paso fundamental. Estes resultados non só confirmaron a eficacia do método, senón que tamén abriron novas posibilidades para deseñar compartimentos máis complexos e eficientes, capaces de imitar de maneira máis precisa certos procesos das células reais.
O futuro das células sintéticas
As posibilidades que abren estes sistemas biomiméticos van máis aló do laboratorio. Segundo os investigadores, unha das aplicacións máis prometedoras é o desenvolvemento de tecidos sintéticos, capaces de replicar funcións das células reais e, eventualmente, empregarse en medicina rexenerativa. “Isto podería ter aplicacións para rexenerar tecidos, e tamén poderiamos falar de diferenciación de células nai”, explica Lucas García. A capacidade de crear compartimentos que poden interactuar e producir reaccións químicas controladas tamén podería abrir a porta a implantes máis avanzados, capaces de sintetizar substancias terapéuticas directamente no organismo.
Para Bruno Delgado, outro campo de aplicación destacable está na combinación de células naturais e artificiais para crear híbridos que permitan controlar procesos biolóxicos de forma máis precisa. “Poderías controlar, por exemplo, non só a liberación, senon a produción in situ dun fármaco, que iso a día de hoxe non se conseguiu aínda”, sinala. Estes avances poderían revolucionar dende a liberación de medicamentos ata o deseño de novos sistemas capaces de realizar reaccións que actualmente non son posibles de forma natural.
En canto aos seguintes pasos da investigación, os científicos destacan dúas liñas principais: por unha banda, profundizar na comprensión dos mecanismos moleculares que controlan o comportamento das microgotas; por outra, explorar aplicacións máis complexas, como a formación de tecidos sintéticos e sistemas que funcionen como pequenos laboratorios en miniatura dentro do corpo ou do laboratorio. Como conclúe Lucas García, “a formación das células sintéticas segue sendo algo cun interese enorme na investigación, pero xa se están dando pasos cara a seguinte etapa”, indicando que este estudo é só un primeiro paso cara a sistemas máis sofisticados que poderían combinar eficiencia química, control biolóxico e aplicacións médicas innovadoras.
Referencia: Dynamic Covalent Boronate Chemistry for In Situ Formation, Interfacial Stabilization, and Cytomimetic Optimization of Coacervates (Publicado en Journal of the American Chemical Society)
