Investigadors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) han creat la cèl·lula artificial més senzilla del món capaç de navegar químicament, migrant cap a substàncies específiques com ho fan les cèl·lules vives. Aquest avenç, publicat a la revista Science Advances, demostra com les vesícules, bombolles microscòpiques, es poden programar per seguir rastres químics. Aquest descobriment revela els mínims elements necessaris per fer que la vida sintètica es mogui amb un propòsit. Descodificar com naveguen les vesícules permet entendre com es comuniquen les cèl·lules i transporten la seva càrrega, i proporciona un model per dissenyar sistemes d’administració de fàrmacs dirigits.
Un equip de recerca de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC) ha creat la cèl·lula artificial més senzilla del món capaç de navegar químicament, migrant cap a substàncies específiques com ho fan les cèl·lules vives. Aquest avenç, publicat a la revista científica Science Advances, demostra com es poden programar bombolles microscòpiques per seguir rastres químics. L’estudi descriu el desenvolupament d’una “cèl·lula mínima” en forma de vesícula lipídica que encapsula enzims capaços d’autopropulsar-se a través de la quimiotaxi.
Els bacteris en depenen per trobar aliment, els glòbuls blancs la fan servir per arribar als focus d’infecció i fins i tot els espermatozoides naveguen cap a l’òvul a través de la quimiotaxi. En recrear la quimiotaxi en un sistema sintètic mínim, el nostre objectiu és descobrir els principis fonamentals que fan possible aquest moviment.
Bárbara Borges
«Els bacteris en depenen per trobar aliment, els glòbuls blancs la fan servir per arribar als focus d’infecció i fins i tot els espermatozoides naveguen cap a l’òvul a través de la quimiotaxi», explica Bárbara Borges Fernandes, estudiant de doctorat en el grup de Biònica Molecular de l’IBEC, professora de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona i primera autora de l’estudi. «El que ens sembla especialment fascinant és que aquest tipus de moviment dirigit pot produir-se fins i tot sense la complexa maquinària que hi sol intervenir, com els flagels o les intricades vies de senyalització molecular. En recrear la quimiotaxi en un sistema sintètic mínim, el nostre objectiu és descobrir els principis fonamentals que fan possible aquest moviment”, afegeix.
Ser capaç de dissenyar una cèl·lula artificial podria ajudar els científics a comprendre millor com les unitats cel·lulars impulsen l’evolució cap a estructures més complexes. “Aquestes cèl·lules sintètiques són com plànols per al sistema de navegació de la natura”, diu l’autor principal, el professor Giuseppe Battaglia, professor de recerca ICREA a l’IBEC, investigador principal del Grup de Biònica Molecular i líder de l’estudi. “Construïm simple per comprendre en profunditat”.
Liposomes i porus: vaixells i motors
Per aconseguir-ho, l’equip de recerca va estudiar com es mouen aquestes petites “cèl·lules” en forma de vesícules en gradients de dos substrats: glucosa i urea. Van encapsular enzims de glucosa oxidasa o ureasa dins de liposomes -vesícules basades en lípids-, per convertir la glucosa i la urea en els seus respectius productes finals. A continuació, van modificar els liposomes afegint una proteïna de membrana. Aquesta proteïna forma porus a la paret del liposoma que actuen com un canal a través del qual els substrats entren a la cèl·lula sintètica i els productes de les reaccions surten.
Aquestes cèl·lules sintètiques són com plànols per al sistema de navegació de la natura. Construïm simple per comprendre en profunditat.
Giuseppe Battaglia
Se sap que perquè tingui lloc el moviment actiu hi ha d’haver una ruptura de la simetria. En atrapar els enzims dins de la partícula i utilitzar els porus com els principals punts d’intercanvi, es genera una diferència en la concentració química al voltant de la partícula. Això provoca un flux de fluid al llarg de la superfície de la vesícula i dirigeix el moviment de la partícula. És com si el liposoma fos un petit vaixell i el porus i l’enzim fossin el seu motor i el seu sistema de navegació.
Del transport passiu a la quimiotaxi activa
Els científics van analitzar el transport de més de 10.000 vesícules dins de canals microfluídics amb gradients de glucosa o ureasa per comprendre el comportament general d’aquestes partícules. Van estudiar les trajectòries de vesícules amb un nombre variable de porus i les van comparar amb les trajectòries de vesícules de control que mancaven de porus.
«Vam observar que les vesícules de control es desplacen cap a concentracions de substrat més baixes a causa d’efectes passius, diferents de la quimiotaxi. A mesura que augmenta el nombre de porus a les vesícules, també ho fa el component quimiotàctic. Això inverteix la direcció del moviment, fent que les vesícules es desplacin cap a àrees amb més concentracions de substrat”, explica Borges.
Aquests resultats són prometedors des del punt de vista bioquímic perquè els elements estudiats són presents en l’estructura de la gran majoria de les cèl·lules.
«Observem detingudament com es mouen les vesícules. Són petites bombolles que amaguen els secrets sobre com les cèl·lules es parlen entre si, com transporten la càrrega de la vida. Però la maquinària de la biologia és sorollosa, té massa peces! Així que fem trampa i ho reconstruïm de forma simplificada, amb només tres peces: una membrana, un enzim i un porus. Sense complicacions, les regles abans ocultes ara surten a la llum. Aquest és el poder de la biologia sintètica: desmuntem un trencaclosques fins als seus ossos i, de sobte, som capaços de veure la música en el caos. El que abans semblava un embolic, ara passa a ser química, pura i elegant, fent més amb menys», descriu Battaglia.
L’estudi s’ha realitzat en col·laboració amb l’equip de José Miguel Rubí a la Universitat de Barcelona (UB), els quals han realitzat les prediccions teòriques. L’estudi també ha comptat amb la participació de l’Institut de Física de Sistemes Vius i el Departament de Química del University College London, la Universitat de Liverpool, l’Institut Biofisika (CSIC-UPV/EHU) i la Fundació Ikerbasque per a la Ciència.
Article de referència:
Barbara Borges-Fernandes, Azzurra Apriceno, Andres Arango-Restrepo, Safa Almadhi, Subhadip Ghosh, Joe Forth, Jorge Pedro Lopez-Alonso, Iban Ubarretxena-Belandia, Jose Miguel Rubi, Lorena Ruiz-Perez, Ian Williams and Giuseppe Battaglia. The minimal chemotactic cell. Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx9364
