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Des protocellules – ou des cellules artificielles – qui sont actives et imitent des cellules vivantes en se déplaçant indépendamment et qui sont biocompatibles et enzymatiquement actives sont maintenant rendu possibles grâce à une méthode améliorée développée par des chercheurs de Penn State.

Produire des protocellules pour la recherche

Les cellules vivantes sont difficiles à cultiver en laboratoire, de sorte que les chercheurs travaillent parfois avec des cellules synthétiques, mais celles-ci ont des limites pour la recherche parce qu’elles n’ont pas de véritables caractéristiques cellulaires.
« L’un des défis de la recherche cellulaire est qu’il est parfois très difficile d’effectuer des expériences contrôlées sur la motilité d’une cellule, surtout en raison de l’activité enzymatique de surface », a déclaré Darrell Velegol, professeur en génie chimique. « L’équipe de recherche a mis au point un moyen simple de fabriquer une cellule artificielle qui ne fait pas tout ce qu’une cellule normale fait, comme se reproduire ou faire des mutations génétiques mais qui bouge activement. C’est important parce que la façon dont les cellules se déplacent est mal comprise, surtout comment l’activité des enzymes joue un rôle dans le mouvement cellulaire. »
Les protocellules de l’équipe sont utilisées pour étudier comment l’activité des enzymes naturelles comme l’ATPase peut stimuler le mouvement des protocellules. Le processus biochimique de l’enzyme ATPase implique la conversion de l’ATP (adénosine triphosphate) en produit ADP (adénosine diphosphate). L’ATP est un produit chimique organique complexe qui fournit de l’énergie aux cellules vivantes et l’ADP est un composé organique qui joue un rôle important dans la libération et le stockage de l’énergie par les cellules.
« Au cours de la dernière décennie, des tentatives d’expériences similaires ont permis d’incorporer les enzymes à l’intérieur de sacs de l’ordre du micron appelés vésicules polymériques, ou de les fixer à la surface de particules dures », explique Subhadip Ghosh, chercheur postdoctoral en chimie. « Mais ces tentatives n’avaient pas la même ressemblance biologique que nos protocellules. »

Les protocellules de l’équipe possèdent de véritables membranes artificielles 

Dans les expériences de recherches de l’équipe, les protocellules possèdent de véritables membranes artificielles composées d’un lipide naturel appelé phosphatidylcholine. Les enzymes ATPase ont été incorporées directement dans la membrane. « Nos résultats donnent à d’autres chercheurs les premiers pas vers la fabrication de cellules artificielles à activité enzymatique », a dit M. Ghosh.
Un résultat inattendu de cette étude s’est produit lors d’expériences de diffusion réalisées avec un seul régime moléculaire. Comme prévu, le mouvement des protocellules était faible pour de faibles concentrations d’ATP. « Assez étonnamment, le mouvement des protocellules a chuté de manière significative à des concentrations élevées d’ATP », a déclaré Ayusman Sen, titulaire de la chaire Verne M. Willaman en chimie à Penn State.
Selon les chercheurs, c’était aussi contre-intuitif que d’appuyer sur l’accélérateur d’une automobile et de faire ralentir un véhicule. Après avoir effectué des expériences de contrôle complètes, les chercheurs ont conclu que lorsque la concentration d’ADP est élevée, elle peut se lier à l’ATPase et supprimer l’activité de l’ATP du substrat, ce qui réduit la motilité.

Révéler les mécanismes fondamentaux qui régissent la dynamique membranaire

Avoir la capacité de fabriquer des protocellules enzymatiquement actives ouvre la voie à de nouvelles opportunités. Armés de ces mimiques de cellules vivantes mobiles, les chercheurs visent à révéler les mécanismes fondamentaux qui régissent la dynamique membranaire active et le mouvement cellulaire. Étant donné la compréhension limitée actuelle de la façon dont les cellules se déplacent, y compris la façon dont l’action des enzymes joue dans le mouvement cellulaire, les membres de l’équipe de recherche croient que leur travail peut avoir des implications importantes pour la future recherche médicale.
« L’un des principaux défis consiste à estimer les forces mécaniques qui entraînent le mouvement des protocellules et à découvrir les changements dans la structure de l’enzyme au cours de ce processus », explique Farzad Mohajerani, assistant de recherche en génie chimique. « Connaître cette relation structure-fonction pour le mouvement des protocellules permettra leur conception pour des applications potentielles in vivo comme la détection médicale et l’analyse en laboratoire. »
Cette recherche a été publiée dans Nano Letters.
Source : Pennsylvania State University
Crédit photo : Pixabay

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