À l’aide d’une image microscopique et d’un rendu graphique, les artistes illustrent une cellule synthétique minimale capable de détecter un signal chimique directionnel et de s’auto-organiser en réponse. Crédit : Inoue Lab du Johns Hopkins Medical Institute, créé par Shiva Razavi et Turhan Pathan, édité
Les scientifiques ont conçu une cellule synthétique capable de briser la symétrie, répondant à des signaux chimiques similaires à ceux des cellules immunitaires. Cette avancée à Johns Hopkins pourrait conduire à des systèmes d'administration de médicaments ciblés, utilisant la capacité de la cellule à se déplacer vers des sites spécifiques et à les libérer.
Les scientifiques de Johns Hopkins Medicine ont développé une cellule synthétique minimale capable de suivre des signaux chimiques externes et de présenter un concept biologique fondamental connu sous le nom de « bris de symétrie ». Cette incroyable innovation vise à améliorer notre compréhension du mouvement cellulaire et à concevoir de nouvelles méthodes de transport des médicaments dans l’organisme.
La recherche est détaillée aujourd'hui (12 juin) dans la revue Avancées scientifiques.
Comprendre la rupture de symétrie
Une étape qui précède le mouvement d'une cellule, la rupture de symétrie, se produit lorsque les molécules d'une cellule, initialement disposées symétriquement, se réorganisent en un motif ou une forme asymétrique, généralement en réponse à des stimuli. Ceci est similaire à la façon dont les oiseaux migrateurs brisent la symétrie lorsqu'ils se déplacent vers une nouvelle formation en réponse à une boussole environnementale comme la lumière du soleil ou des points de repère. Au niveau microscopique, les cellules immunitaires détectent les signaux chimiques concentrés sur un site d’infection et brisent la symétrie pour traverser la paroi d’un vaisseau sanguin afin d’atteindre le tissu infecté. Lorsque les cellules brisent la symétrie, elles se transforment en structures polarisées et asymétriques qui les préparent à se déplacer vers leur cible.
« La notion de bris de symétrie est cruciale pour la vie et a un impact sur des domaines aussi divers que la biologie, la physique et la cosmologie », explique Shiva Razavi, Ph.D., qui a dirigé la recherche en tant qu'étudiant diplômé à Johns Hopkins et est maintenant chercheur postdoctoral. au Massachusetts Institute of Technology. « Comprendre comment fonctionne la rupture de symétrie est essentiel pour découvrir les principes fondamentaux de la biologie et découvrir comment exploiter ces informations pour concevoir des thérapies. »
Trouver des moyens d'imiter et de contrôler la rupture de symétrie dans les cellules synthétiques a longtemps été considéré comme essentiel pour comprendre comment les cellules peuvent étudier leur environnement chimique et réorganiser leur profil chimique et leur forme en réponse.
Développement d'un protocole synthétique
Pour cette étude, les scientifiques ont créé une vésicule géante dotée d’une membrane à double couche – une cellule synthétique simplifiée ou une protocellule composée de phospholipides, de protéines purifiées, de sels et d’ATP qui fournissent de l’énergie. Avec sa forme sphérique, la protocellule est surnommée « la bulle ». Dans leurs expériences, les scientifiques ont réussi à concevoir la protocellule avec une capacité de détection chimique qui incite la cellule à rompre la symétrie, passant d'une sphère presque parfaite à une forme inégale. Le système a été spécialement conçu pour imiter la première étape d’une réponse immunitaire, capable de signaler aux neutrophiles d’attaquer les germes en fonction des protéines qu’ils détectent autour d’eux, disent les chercheurs.
« Notre étude démontre comment une entité de type cellulaire peut détecter la direction d'un signal chimique externe, imitant les conditions que l'on trouverait dans un organisme vivant », explique Razavi. « En construisant une structure semblable à une cellule à partir de zéro, nous pouvons mieux identifier et comprendre les composants essentiels requis pour qu'une cellule brise la symétrie dans sa forme la plus simplifiée. »
Applications futures dans la distribution de médicaments
Un jour, la détection chimique pourrait être utilisée pour une administration ciblée de médicaments dans le corps, affirment les scientifiques.
« L’idée est que vous pouvez emballer tout ce que vous voulez dans ces bulles : des protéines, ARN, ADNcolorants ou petites molécules – indiquez à la cellule où aller à l'aide de la détection chimique, puis faites éclater la cellule près de sa cible prévue afin qu'un médicament puisse être libéré », explique l'auteur principal Takanari Inoue, Ph.D., professeur de biologie cellulaire. et directeur du Center for Cell Dynamics à Johns Hopkins Medicine.
Ingénierie des mécanismes de détection chimique
Pour activer la capacité de détection chimique de la vésicule, les chercheurs ont implanté deux protéines qui agissent comme des commutateurs moléculaires – appelées FKBP et FRB – au sein de la cellule synthétique. La protéine FKBP a été placée au centre de la cellule, tandis que la FRB a été implantée sur la membrane. Lorsque les scientifiques ont introduit un produit chimique – la rapamycine – à l’extérieur de la cellule à bulles, le FKBP s’est déplacé vers la membrane pour se lier au FRB, déclenchant un processus appelé polymérisation de l’actine ou une réorganisation du squelette de la cellule synthétique.
À l’intérieur de la protocellule, la réaction chimique a donné naissance à une structure en forme de bâtonnet composée d’actine qui exerce une pression sur la membrane cellulaire et la plie.
Techniques d'imagerie et orientations futures
Les chercheurs ont utilisé un type spécialisé d'imagerie 3D rapide appelé microscopie confocale pour enregistrer la capacité de détection chimique de la protocellule ; ils ont dû enregistrer des images rapidement, à raison d'une image toutes les 15 à 30 secondes, car les protocellules répondaient rapidement au signal chimique.
Ensuite, les chercheurs visent à doter ces cellules synthétiques de la capacité de se déplacer vers une cible souhaitée. En fin de compte, les chercheurs espèrent concevoir des cellules synthétiques qui pourraient avoir des applications potentielles significatives dans l’administration ciblée de médicaments, la détection de l’environnement et d’autres domaines où un mouvement et une réponse précis aux stimuli sont cruciaux.
Parmi les autres scientifiques qui ont contribué à cette recherche figurent Bedri Abubaker-Sharif, Hideaki T. Matsubayashi, Hideki Nakamura, Nhung Thi Hong Nguyen, Douglas N. Robinson et Pablo A. Iglesias de Johns Hopkins ; Felix Wong du Massachusetts Institute of Technology ; et Baoyu Chen de l'Université d'État de l'Iowa.
Le financement de cette recherche a été assuré par le Instituts nationaux de la santé (5R01GM123130, R01GM136858, R35GM149329, R35GM128786, R01GM149073, R01GM66817 et S10OD016374), Agence de recherche Advanced du ministère de la Défense (HR0011-16 .
