La chimica incontra la biologia: controllare le membrane cellulari artificiali attraverso la catalisi
I ricercatori hanno sviluppato una piattaforma artificiale basata su metalloenzimi che consente il controllo programmabile del comportamento delle membrane artificiali
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Utilizzando la chimica catalitica, i ricercatori dell'Institute of Science di Tokyo hanno ottenuto il controllo dinamico delle membrane artificiali, consentendo un comportamento delle membrane simile alla vita. Utilizzando un metalloenzima artificiale che esegue una reazione di metatesi ad anello, il team ha indotto la scomparsa di domini separati in fase e la divisione delle membrane nelle membrane artificiali, imitando il comportamento dinamico delle membrane biologiche naturali. Questa ricerca rivoluzionaria segna una pietra miliare nelle tecnologie cellulari sintetiche, aprendo la strada a scoperte terapeutiche innovative.
Membrane cellulari artificiali programmabili controllate da una reazione chimica catalitica
Le membrane biologiche sono strutture fondamentali che formano i confini di tutte le cellule viventi, controllando il modo in cui le cellule comunicano, crescono e rispondono al loro ambiente. Queste membrane sono composte da diverse molecole, come lipidi e proteine, che si organizzano in uno strato di membrana. In determinate circostanze, le molecole si raggruppano in regioni funzionali locali che regolano processi biologici specifici. Queste regioni raggruppate sono note come domini a separazione di fase e sono distinte dalla membrana circostante.
Comprendere e replicare i comportamenti dinamici di queste regioni ha da tempo affascinato gli scienziati che mirano a costruire cellule artificiali che si comportino come le cellule naturali. Tuttavia, poiché la maggior parte dei modelli di membrane artificiali rimane statica, la riproduzione di queste proprietà adattative delle membrane biologiche è rimasta finora una sfida importante. Per affrontare questa sfida, i ricercatori dell'Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), in Giappone, e dell'Università di Basilea, in Svizzera, hanno sviluppato insieme una nuova strategia chimica per controllare il comportamento delle membrane cellulari artificiali.
Lo studio è stato condotto dal professor Kazushi Kinbara e dal dottorando Rei Hamaguchi della School of Life Science and Technology, Science Tokyo, Giappone, in collaborazione con il professor Thomas R. Ward dell'Università di Basilea, Svizzera. I risultati sono stati resi disponibili online il 15 ottobre 2025 e sono stati pubblicati nel volume 147, numero 43 del Journal of the American Chemical Society il 29 ottobre 2025.
Per dare vita alle membrane, i ricercatori hanno innanzitutto costruito minuscole strutture artificiali simili a cellule, chiamate vescicole lipidiche. I ricercatori hanno poi costruito un catalizzatore ibrido noto come metalloenzima artificiale (ArM) - una combinazione di una proteina biologica streptavidina (Sav) e un catalizzatore metallico sintetico (complesso metallico di rutenio) che trasporta una parte di biotina (vitamina B7). Questo enzima agisce come un catalizzatore sulla membrana, eseguendo una reazione chimica critica nota come ring-closing metathesis (RCM).
Per fissare il catalizzatore ArM alla superficie della membrana lipidica, il team ha incorporato nella membrana un tipo speciale di lipide marcato con biotina, che ha agito come un'ancora per il catalizzatore.
"Quando viene attivato da precursori di acidi grassi, il sistema ArM rilascia acidi grassi liberi attraverso l'RCM", spiega Kinbara. "Questi acidi grassi scivolano nella membrana, alterandone sottilmente la struttura e guidando il comportamento dinamico della membrana".
Le simulazioni molecolari hanno rivelato i meccanismi chiave alla base di queste trasformazioni. I precursori degli acidi grassi inattivi e ingabbiati sono stati prima attivati dal catalizzatore ArM attraverso la reazione RCM. Questa reazione libera i precursori degli acidi grassi ingabbiati, rilasciando acidi grassi liberi vicino alla membrana. Gli acidi grassi rilasciati si inseriscono naturalmente nella superficie della membrana, modificandone la rigidità e la curvatura, che a sua volta porta a trasformazioni visibili come la scomparsa di domini separati in fase e la divisione della membrana.
"È un po' come dare a una membrana sintetica la capacità di respirare e reagire", spiega Kinbara. "Controllando una reazione chimica sulla superficie della membrana, possiamo far sì che essa si riorganizzi, proprio come fa una cellula vivente".
La scoperta segna il primo tentativo di programmare chimicamente il comportamento fisico delle membrane artificiali, ponendo le basi per la creazione di materiali simili alla vita in grado di percepire e rispondere all'ambiente circostante. Non solo fa avanzare la biologia sintetica, ma introduce anche un progetto per la creazione di membrane artificiali programmabili che potrebbero ispirare future innovazioni terapeutiche, colmando il divario tra chimica e vita.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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