Cercetătorii de la Universitatea Rice au descoperit o altă modalitate de a proiecta un nou tip de diferențiere celulară în ceea ce privește bacteriile, inspirată de un proces, care apare în mod natural în celulele stem.
Aceștia au creat un circuit genetic capabil să producă celule distincte, din punct de vedere genetic, de Escherichia coli (E.coli), în timp ce bacteria se divide. Prin controlul acestui proces, se pot crea diverse colonii de bacterii, care prezintă un comportament complex.
Matthew Bennett, biologul Universității Rice și Sara Molinari, fostă studentă în programul de doctorat pentru sisteme, biologie sintetică și fizică a universității, au condus împreună acest proiect, cu scopul de a arăta cum manipularea codului genetic al plasmidelor – bucăți plutitoare libere de ADN circular în celule – poate fi utilizată pentru a obține o diferențiere asemănătoare cu cea a celulelor stem în bacterii.
„Celulele stem au capacitatea remarcabilă de a se diviza asimetric”, a spus Bennett. După divizare, celula stem originală rămâne aceeași, dar noua celulă fiică are un fenotip complet nou. Aceasta este diviziunea celulară asimetrică, iar organismele multicelulare o folosesc pentru a ajuta la controlul caracterului lor celular. „În calitate de biolog, mă gândesc mult la crearea și controlul tipurilor de celule diferențiate în cadrul unei populații multicelulare”, a spus el. „Aici, am luat ceea ce știm despre celulele stem și am conceput mijloacele de a face acest lucru, utilizând bacterii”.
Molinari a descoperit mai întâi cum să forțeze plasmidele din E.coli să se aglomereze într-un singur grup, astfel încât acestea să nu se distribuie omogen în timpul diviziunii celulare, ci, mai degrabă, a arătat că sunt moștenite de una dintre cele două celule fiice. Celula fiică încărcată de plasmide rămâne identică cu celula mamă, în timp ce, sora ei devine genetic diferită, deoarece pierde informațiile genetice prezente pe plasmide.
Totodată, a extins circuitul sintetic pentru a induce compartimentarea asimetrică simultană a două specii de plasmide într-o singură celulă, rezultând patru E.coli genetic distincte. Unele dintre celule au motilitatea programată; pot literalmente să meargă singure și să ajute la formarea tiparelor în colonia rezultată.
„Când am început, ne-am gândit să creăm materiale, care pot simți și care se pot adapta mediului”, a menționat Molinari, care a obținut recent doctoratul la Rice.
„Ne-am gândit că dacă putem imita această caracteristică a țesuturilor de ordin superior, vom crește capacitatea coloniilor noastre, precum și abilitatea lor de a îndeplini anumite sarcini. Provocarea a fost de a concepe o populație de bacterii, care să devină altceva ori de câte ori este nevoie.” Molinari și colegii ei au dat lovitura încă de la prima încercare cu E.coli.
„Nu a existat nicio modalitate reală de a concepe diviziunea celulelor asimetrice”, a spus ea. „A fost o idee nebună și a funcționat fantastic chiar de prima dată. Dar a existat ceva despre care nu ne-am dat seama complet, în legătură cu sistemul”, a menționat Molinari.
A fost nevoie să treacă doi ani pentru a realiza că am făcut o greșeală de clonare când am primit această proteină și am introdus-o în plasmida mea. Am adăugat la întâmplare 17 aminoacizi la începutul proteinei, iar acest lucru a făcut ca întregul sistem să funcționeze.
„Cu aceste informații, ea a continuat cu îmbunătățirea proteinelor hidrofobe, care se aglomerează în celule, în timp ce se leagă de plasmide țintă, ținându-le pe loc”.
Bennett a remarcat că procesele naturale, fie încarcă suficiente plasmide într-o celulă pentru a asigura puțin spațiu în fiecare celulă fiică, fie atrag activ plasmide în fiecare dintre celulele noi pentru a se asigura că rămân identice.
„Am arătat că putem întrece acele procese”, a spus el. Compartimentarea plasmidică asimetrică (APP) ar putea transforma organismele simple în sisteme complicate, care îmbunătățesc înțelegerea vieții multicelulare. „Suntem destul de buni în proiectarea bacteriilor”, a menționat Bennett. „Facem acest lucru de ani buni. Cred că domeniul a evoluat până în punctul în care putem face lucruri uimitoare cu bacteriile, iar oamenii întreabă ce altceva putem face noi.”
Noua descoperire, a spus el, deschide un nou drum. „Există trei repere principale ale vieții multicelulare”, a menționat el. „Unul dintre acestea se referă la diferențierea prin divizare a celulelor asimetrice. Un altul ar fi comunicarea intercelulară, la care biologii lucrează de ani de zile, iar cel de al treilea, fiind adeziunea celulară, unde celulele rămân acolo unde trebuie să se lipească între ele. Dacă putem controla toate aceste lucruri împreună, putem vorbi despre ingineria formelor de viață multicelulare interesante”.
