Sistemas artificiales que imitan la forma en que las células se mueven y se comunican

Una nueva revisión publicada en la revista científica Small resume la investigación más importante de los últimos años sobre biomimética basada en compartimentos celulares blandos sintetizados artificialmente (synthetic soft-architectures) con el fin de inspirar futuros adelantos en este campo.

Samuel Sánchez, Group Leader en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) ha participado en la redacción de este artículo de la mano de expertos de fama mundial en el ámbito de la bioingeniería y la síntesis celular.

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A pesar de ser las unidades más básicas de la vida, las células son sistemas muy complejos y refinados. Requieren un cóctel preciso de condiciones y componentes para llevar a cabo procesos muy complicados, esenciales para su supervivencia y propagación. Si bien los científicos aún no han sido capaces de producir de forma artificial una célula viva totalmente autónoma, sí que han conseguido imitar ciertas estructuras y procesos celulares en el laboratorio. Los avances más importantes en este campo emergente de la biomimética ascendente (más conocida como bottom-up biomimicry, en inglés) se resumen en una revisión publicada recientemente en la revista científica Small. Samuel Sánchez, líder del grupo Smart Nano-Bio-Devices en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) y profesor de investigación ICREA, es coautor de este artículo, junto con expertos de Eindhoven University of Technology en los Países Bajos y Harbin Institute of Technology en China. Dicha revisión cubre cuatro áreas de la biomimética sintética: la compartimentación celular, las reacciones biológicas para la producción de energía, la motilidad y los comportamientos comunicativos.

 

La primera sección explora los diferentes tipos de membranas blandas y compartimentos celulares sintetizados artificialmente, algunos de los cuales son comúnmente usados en biomedicina. Desde estructuras básicas como los liposomas, hasta membranas más complejas con permeabilidad selectiva —tales como los proteinosomas, coacervados o polimerosomas—, los autores proporcionan una visión general de los procedimientos utilizados en el proceso de síntesis de cada uno de ellos, sus capacidades básicas y su grado de similitud con la naturaleza. Si bien las membranas celulares constituyen un factor esencial para crear las condiciones adecuadas para que se de la vida, los sistemas vivos también deben poder transformar la energía de fuentes externas. Esto es lo que conocemos como metabolismo, un proceso que permite a las células llevar a cabo reacciones más complejas, dando lugar, por ejemplo, a cambios en la forma o a la división celular. En esta revisión, los expertos resumen algunas de las reacciones bioquímicas reales que se han replicado en el laboratorio, incluida la activación de cascadas enzimáticas complejas y la modulación de la actividad enzimática. Cabe señalar que los logros conseguidos en este ámbito, a pesar de ser impresionantes, aún están lejos de imitar con precisión las cadenas de biorreacciones altamente elaboradas, observadas en las células vivas.

“Los avances más importantes en el campo emergente de la biomimética celular se resumen en una nueva revisión publicada en la revista científica Small. El artículo trata la síntesis de compartimentos celulares blandos, la reacción bioquímica, la motilidad y los comportamientos de comunicación celular “.

a) Formation of bowl-shaped stomatocytes from polymersomes. Tunable opening size allows the enzymes trapped inside aqueous cavity.
Reproduced with permissions.[40] Copyright 2009, Wiley-VCH. b) Schematic representation and TEM images of a chemotactic polymersome using a
combination of membrane topology formed by PEO-PBO copolymers mixed with either PMPC-PDPA or POEGMA-PDPA copolymers. Reproduced with
permissions.[55] Copyright 2017, American Association for the Advancement of Science (AAAS).

Los expertos, a su vez, exploran distintas formas de motilidad que han sido replicadas en células sintéticas. Desde las formas más básicas de movimiento, como el movimiento guiado o por flotabilidad, hasta el movimiento aleatorio y la quimiotaxis. Esta función tiene aplicaciones particularmente prometedoras en la administración de fármacos, ya que las células sintetizadas en laboratorio pueden ser “entrenadas” para moverse hacia el tejido enfermo. Además, los investigadores han logrado crear células nanomotoras que se mueven a distintas velocidades, así como células con una función de encendido/apagado que imitan de forma más precisa el movimiento inherente a las células vivas.

 

Los autores de la revisión también discuten las diferentes formas en que los investigadores han recreado la comunicación intercelular, tanto entre células artificiales como entre grupos celulares artificiales y naturales. Hasta la fecha, estos experimentos se han realizado únicamente con células bacterianas, pero los expertos sugieren que es necesario investigar con células de mamíferos y humanos para avanzar en este campo y alcanzar una mayor comprensión de sus posibles aplicaciones biomédicas.

La biomimética ha avanzado mucho en las últimas décadas gracias a los avances más recientes, centrados en dotar a las células sintéticas de motilidad y capacidad de comunicación. Aunque todavía hay mucho por descubrir, el enfoque bottom-up ha incrementado en gran medida la comprensión de estas unidades básicas de la vida, permitiéndonos pensar de la misma forma en que lo hace la naturaleza.


Artículo de referencia: Lei Wang, Shidong Song, Jan van Hest, Loai K. E. A. Abdelmohsen, Xin Huang, Samuel Sánchez (2020) “Biomimicry of Cellular Motility and Communication Based on Synthetic Soft‐Architectures.” Small, 2020.