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lunedì 26 maggio 2008

CELLULE ARTIFICIALI

Una cellula artificiale capace di sintetizzare istruzioni genetiche per la produzione di specifiche proteine ("designer proteins"), non esistenti in natura, è stata sviluppata negli USA da David Kong, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston (il lavoro è stato presentato a marzo 2008 allo Spring Meeting della Materials Research Society a San Francisco).

"A volumi molto piccoli, nell'ordine delle decine di nanolitri, possiamo costruire geni completamente sintetici in grado di esprimere proteine strettamente funzionali", ha dichiarato Kong a New Scientist. La cellula artificiale assomiglia ad un chip di un computer. "È della dimensione necessaria per il funzionamento dei componenti microfluidici, dei canali e delle valvole", ha detto Peter Carr, che ha partecipato al lavoro, "con alcuni strati di gomma siamo riusciti a realizzare un dispositivo altamente complesso".

Dopo essere stati realizzati separatamente, i circuiti relativi ai geni di sintesi e quelli relativi all'espressione proteica sono stati incorporati in un unico sistema che, dapprima, sintetizza i geni usando degli enzimi che provvedono a unire determinati blocchi di DNA, poi, copia i geni per produrre molte versioni del prodotto finale. Cicli di riscaldamento e raffreddamento controllano che gli enzimi catalizzino effettivamente le reazioni. Infine, una serie di piccole pompe mixano geni ed enzimi e la cellula estrae il necessario per produrre le proteine. In questa fase, prima alcuni enzimi convertono il DNA dei geni in RNA messaggero, poi, questo viene mixato con estratti di cellule batteriche - contenenti gli amminoacidi che formeranno le proteine - e con i ribosomi che leggeranno il messaggio trasportato dall'RNA e assembleranno gli amminoacidi nella proteina.

In un test, la cellula artificiale è stata usata per produrre una proteina fluorescente. Kong è convinto che il dispositivo sarà molto utile ai ricercatori per investigare nuovi design proteici. Il suo team ora prevede di esplorare il modo di realizzare cellule più capienti che possano sintetizzare allo stesso tempo diverse proteine. Secondo Carr, in futuro, dispositivi del genere potranno essere usati nel trattamento di malattie come il cancro per simulare, sulla base delle infomazioni genetiche relative ad un paziente, come la malattia risponde ad un dato farmaco.

Un gruppo di ingegneri biomedici dell'Università di Yale ha assemblato in laboratorio una cellula artificiale capace di attivare le cellule del sistema immunitario con un'efficacia 45 volte maggiore rispetto a quanto avviene normalmente quando il sistema immunitario si trova a combattere un tumore (lo studio è stato pubblicato su Molecular Therapy).

La cellula artificiale, ottenuta da Tarek Fahmy ed Erin Steenblock, è stata realizzata con materiale biocompatibile utilizzato per le suture. Oltre che contro i tumori, la stessa cellula può essere progettata per altre malattie e infezioni. ''È possibile che la tecnica possa giungere alla clinica in tempi rapidi'', ha detto Fahmy, ''tutti i materiali che utilizziamo sono naturali, biodegradabili e sono stati già approvati dalla FDA'', l'agenzia americana per il controllo sui farmaci. La tecnica prevede che la superficie esterna di ogni particella artificiale sia ricoperta da molecole capaci di attrarre gli antigeni, ossia le molecole che attivano le cellule T del sistema immunitario. All'interno di ciascuna particella si trovano delle citochine, segnali del sistema immunitario che costituiscono la prima linea di difesa contro virus e batteri. Rilasciate lentamente, le citochine attivano ulteriormente le cellule T e le spingono a moltiplicarsi.

quattro singoli neuroni umani, coltivati in laboratorio. Credit: Douglas H. Smith, MD, University of Pennsylvania School of Medicine)

Un gruppo di ricercatori della School of Medicine della University of Pennsylvania, ha realizzato una rete neurale umana creata in laboratorio (lo studio è apparso sul Journal of Neurosurgery). Si tratta di un circuito neurale in piena regola, che potrà essere utilizzato un giorno per trapianti o per riparare sistemi nervosi danneggiati.

''Abbiamo creato un circuito neurale tridimensionale, un mini sistema nervoso che potrà essere trapiantato in massa'', ha spiegato Douglas H. Smith, primo autore della ricerca. La tecnica era già stata sperimentata sui topi, prima di essere applicata a cellule nervose umane. In sintesi, consiste nell'indurre la crescita delle fibre nervose (gli assoni) con stimolazioni meccaniche e chimiche e nel "confezionare" il tutto in una matrice di collagene. Smith e i suoi colleghi hanno utilizzato i neuroni dei gangli dorsali prelevati da 16 pazienti e 4 donatori di organi. I neuroni sono stati poi ingegnerizzati per costruire il tessuto nervoso trapiantabile.

''Lo studio dimostra come i neuroni adulti potranno diventare un materiale alternativo per i trapianti, grazie alla loro maggiore disponibilità e alla capacità di essere ingegnerizzati'', ha detto Smith, 'abbiamo anche dimostrato che è possibile ottenere questi neuroni da pazienti in vita, il ché apre la strada a trapianti autologhi del sistema nervoso''

Il laboratorio di Christine D. Keating, alla Penn State University, ha sviluppato una cellula artificiale usando come citoplasma una soluzione composta da due differenti polimeri, il polyethyleneglycol (PEG) e il dextran, incapsulata dentro una membana cellulare (il lavoro si è basato su uno svolto in precedenza pubblicato a gennaio 2008 sul Journal of the American Chemical Society).

L'esperimento, finalizzato allo studio dell'organizzazione e della funzione di citoplasma e membrana cellulare, due dei componenti più elementari della cellula, potrebbe condurre alla creazione di nuovi farmaci in gado di prevenire lo sviluppo di malattie. "Molti scienziati sperano di comprendere il funzionamento delle cellule spengendo uno a uno i geni e osservando le conseguenze", dice la Keating, assistente professore di Chimica, che ha guidato la ricerca, "noi facciamo l'opposto: partiamo da 0 e aggiungiamo componenti per scoprire di cosa c'è bisogno per simulare le funzioni cellulari più elementari".

Quando il team ha esposto la cellula alla soluzione concentrata contenente i due polimeri, attraverso il processo conosciuto come osmosi, durante il quale l'acqua si diffonde nella cellula attaversando la membrana, la cellula ha cambiato forma assumendo quella di un bocciolo. La nuova struttura ha esibito un tipo di complessità che comprende la polarità. "La polarità è molto importante per lo sviluppo", ha spiegato la Keating, "è il primo passo verso un organismo complesso multi-cellulare, come gli esseri umani, in cui diverse cellule svolgono differenti funzioni".

Dopo aver dimostrato che è possibile controllare il comportamento delle membrane cellulari creando un modello di citoplasma con diverse composizioni, il prossimo passo consisterà nell'aggiungere ulteriori componenti e vedere cosa succede se, ad esempio, "aggiungiamo un enzima la cui attività dipende dalla composizione del citoplasma e della membrana". Ma l'obiettivo non è creare una vera cellula. "Non stiamo cercando di generare vita", dice ancora la Keating, "vogliamo solo capire le leggi fisiche che governano i sistemi biologici, in particolare come nasce la complessità da semplici regole chimiche e fisiche".

(Articolo di riferimento: Cans, Ann-Sofie, Andes-Koback, Meghan, and Keating, Christine D., "Positioning Lipid Membrane Domains in Giant Vesicles by Micro-organization of Aqueous Cytoplasm", Journal of the American Chemical Society, 2008)

(a sinistra, la cellula geneticamente modificata esprime una proteina verde fluorescente con amminoacidi non naturali incorporati; a destra, i due amminoacidi non naturali usati dal team. © Q Wang and L Wang, JACS)

I ricercatori californiani Lei Wang e Qian Wang, del Salk Institute di San Diego, hanno sviluppato un nuovo tipo di cellula di lievito geneticamente modificata per produrre proteine più complesse che potrebbero incrementae la produzione a prezzi ridotti di una nuova generazione di farmaci proteici contro il diabete, l'obesità e altre malattie.

In particolare, i ricercatori vorrebbero accelerare la produzione di proteine contenenti i cosiddetti "unnatural amino acids" (UAAs), amminoacidi non naturali, che vengono aggiunti ai normali 20 amminoacidi naturali non senza difficoltà: i due ricercatori hanno inserito nella cellula di lievito modificata parti del batterio E.coli, semplici ma altamente efficienti, in modo da fargli produrre proteine complesse contenenti livelli di UAAs 300 volte più alti che nelle cellule di lievito naturali.

"Sono le quantità che servono per purificae le proteine a scopo terapeutico o industriale", dice Wang. Il team conta di produrre proteine contenenti due differenti tipi di UAAs, "DanAla" e "OmeTyr".

(Articolo di riferimento: "New Methods Enabling Efficient Incorporation of Unnatural Amino Acids in Yeast", Journal of the American Chemical Society, 14 maggio 2008).

Molecular Machines group, MIT

www.pennhealth.com

American Chemical Society

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