Una célula artificial o una célula mínima es una partícula diseñada que imita una o muchas funciones de una célula biológica . El término no se refiere a una entidad física específica, sino a la idea de que ciertas funciones o estructuras de las células biológicas pueden reemplazarse o complementarse con una entidad sintética. A menudo, las células artificiales son membranas biológicas o poliméricas que encierran materiales biológicamente activos. Como tales, nanopartículas , liposomas , polimerosomas , microcápsulas y una serie de otras partículas se han calificado como células artificiales. La microencapsulación permite el metabolismodentro de la membrana, intercambio de pequeñas moléculas y prevención del paso de grandes sustancias a través de ella. [1] [2] Las principales ventajas de la encapsulación incluyen una mejor imitación en el cuerpo, una mayor solubilidad de la carga y una disminución de las respuestas inmunitarias . En particular, las células artificiales han tenido éxito clínico en la hemoperfusión . [3]
En el área de la biología sintética , una célula artificial "viva" se ha definido como una célula hecha completamente sintéticamente que puede capturar energía , mantener gradientes iónicos , contener macromoléculas , así como almacenar información y tener la capacidad de mutar . [4] Tal célula no es técnicamente factible todavía, pero se ha creado una variación de una célula artificial en la que se introdujo un genoma completamente sintético en células hospedadoras vaciadas genómicamente. [5] Aunque no es completamente artificial porque se conservan los componentes citoplásmicos y la membrana de la célula huésped, la célula diseñada está bajo el control de un genoma sintético y es capaz de replicarse .
Historia
Las primeras células artificiales fueron desarrolladas por Thomas Chang en la Universidad McGill en la década de 1960. [6] Estas células consistían en membranas ultrafinas de nailon, colodión o proteína reticulada cuyas propiedades semipermeables permitían la difusión de pequeñas moléculas dentro y fuera de la célula. Estas células eran del tamaño de una micra y contenían células , enzimas , hemoglobina , materiales magnéticos, adsorbentes y proteínas . [1]
Más tarde, las células artificiales han oscilado entre dimensiones de cien micrómetros y nanómetros y pueden transportar microorganismos, vacunas , genes , fármacos, hormonas y péptidos . [1] El primer uso clínico de las células artificiales fue en la hemoperfusión por encapsulación de carbón activado . [7]
En la década de 1970, los investigadores pudieron introducir enzimas, proteínas y hormonas en microcápsulas biodegradables, lo que más tarde condujo al uso clínico en enfermedades como el síndrome de Lesch-Nyhan . [8] Aunque la investigación inicial de Chang se centró en los glóbulos rojos artificiales , solo a mediados de la década de 1990 se desarrollaron glóbulos rojos artificiales biodegradables. [9] Las células artificiales en la encapsulación de células biológicas se utilizaron por primera vez en la clínica en 1994 para el tratamiento de un paciente diabético [10] y desde entonces se han encapsulado otros tipos de células como los hepatocitos , las células madre adultas y las células modificadas genéticamente y se encuentran bajo estudio para su uso en la regeneración de tejidos. [11] [12]
El 29 de diciembre de 2011, químicos de la Universidad de Harvard informaron sobre la creación de una membrana celular artificial . [13] [14] [15]
Para 2014, se habían producido células bacterianas sintéticas autorreplicantes con paredes celulares y ADN sintético [ cita requerida ] . En enero de ese año, los investigadores produjeron una célula eucariota artificial capaz de realizar múltiples reacciones químicas a través de orgánulos de trabajo . [16] [17]
En septiembre de 2018, investigadores de la Universidad de California desarrollaron células artificiales que pueden matar bacterias. Las células fueron diseñadas desde abajo hacia arriba, como bloques de Lego, para destruir bacterias. [18] [19] [20]
Materiales
Las membranas para células artificiales pueden estar hechas de polímeros simples , proteínas reticuladas, membranas lipídicas o complejos polímero-lípido. Además, las membranas se pueden diseñar para presentar proteínas de superficie como albúmina , antígenos , portadores de Na / K-ATPasa o poros como canales iónicos . Los materiales comúnmente utilizados para la producción de membranas incluyen polímeros de hidrogel como alginato , celulosa y polímeros termoplásticos como metacrilato de hidroxietilo-metacrilato de metilo (HEMA-MMA), poliacrilonitrilo-cloruro de polivinilo (PAN-PVC), así como variaciones de los anteriores- mencionado. [2] El material utilizado determina la permeabilidad de la membrana celular, que para el polímero depende del peso molecular de corte (MWCO). [2] El MWCO es el peso molecular máximo de una molécula que puede pasar libremente a través de los poros y es importante para determinar la difusión adecuada de nutrientes, desechos y otras moléculas críticas. Los polímeros hidrófilos tienen el potencial de ser biocompatibles y se pueden fabricar en una variedad de formas que incluyen micelas poliméricas , mezclas sol-gel , mezclas físicas y partículas y nanopartículas reticuladas. [2] De especial interés son los polímeros que responden a estímulos que responden a cambios de pH o temperatura para su uso en administración dirigida. Estos polímeros se pueden administrar en forma líquida mediante una inyección macroscópica y solidificar o gelificar in situ debido a la diferencia de pH o temperatura. Las preparaciones de nanopartículas y liposomas también se utilizan de forma rutinaria para la encapsulación y administración de material. Una de las principales ventajas de los liposomas es su capacidad para fusionarse con las membranas celulares y orgánulos .
Preparación
Se han desarrollado muchas variaciones para la preparación y encapsulación de células artificiales. Normalmente, se sintetizan vesículas como nanopartículas , polimerosomas o liposomas . Una emulsión se elabora típicamente mediante el uso de equipo de alta presión, como un homogeneizador de alta presión o un microfluidizador . También se describen a continuación dos métodos de microencapsulación para nitrocelulosa.
Homogeneización a alta presión
En un homogeneizador de alta presión, dos líquidos en suspensión de aceite / líquido se fuerzan a través de un pequeño orificio a muy alta presión. Este proceso divide los productos y permite la creación de partículas extremadamente finas, tan pequeñas como 1 nm.
Microfluidización
Esta técnica utiliza un Microfluidizador patentado para obtener una mayor cantidad de suspensiones homogéneas que pueden crear partículas más pequeñas que los homogeneizadores. Primero se usa un homogeneizador para crear una suspensión gruesa que luego se bombea al microfluidizador a alta presión. Luego, el flujo se divide en dos corrientes que reaccionarán a velocidades muy altas en una cámara de interacción hasta que se obtenga el tamaño de partícula deseado. [21] Esta técnica permite la producción a gran escala de liposomas de fosfolípidos y nanoencapsulaciones de material subsiguientes.
Método de gota
En este método, se incorpora gota a gota una solución celular a una solución de colodión de nitrato de celulosa. A medida que la gota viaja a través del colodión, se recubre con una membrana gracias a las propiedades de polimerización interfacial del colodión. Posteriormente, la célula se deposita en parafina donde se fija la membrana y finalmente se suspende una solución salina. El método de gota se utiliza para la creación de grandes células artificiales que encapsulan células biológicas, células madre y células madre manipuladas genéticamente.
Método de emulsión
El método de emulsión difiere en que el material que se va a encapsular suele ser más pequeño y se coloca en el fondo de una cámara de reacción donde el colodión se agrega en la parte superior y se centrifuga, o se altera de otro modo para crear una emulsión. A continuación, el material encapsulado se dispersa y se suspende en una solución salina.
Relevancia clínica
Liberación y entrega de fármacos
Las células artificiales utilizadas para la administración de fármacos se diferencian de otras células artificiales porque su contenido está destinado a difundirse fuera de la membrana o ser engullido y digerido por una célula diana huésped. A menudo se utilizan células artificiales de membrana lipídica submicrométricas que pueden denominarse nanocápsulas, nanopartículas, polimerosomas u otras variaciones del término.
Terapia de enzimas
La terapia enzimática se está estudiando activamente para las enfermedades metabólicas genéticas en las que una enzima está sobreexpresada, infraexpresada, defectuosa o no está presente. En el caso de expresión insuficiente o expresión de una enzima defectuosa , se introduce una forma activa de la enzima en el organismo para compensar el déficit. Por otro lado, una sobreexpresión enzimática puede contrarrestarse mediante la introducción de una enzima no funcional competidora; es decir, una enzima que metaboliza el sustrato en productos inactivos. Cuando se colocan dentro de una célula artificial, las enzimas pueden realizar su función durante un período mucho más largo en comparación con las enzimas libres [1] y pueden optimizarse aún más mediante la conjugación de polímeros. [22]
La primera enzima estudiada bajo encapsulación de células artificiales fue la asparaginasa para el tratamiento del linfosarcoma en ratones. Este tratamiento retrasó la aparición y el crecimiento del tumor . [23] Estos hallazgos iniciales llevaron a una mayor investigación sobre el uso de células artificiales para la administración de enzimas en melanomas dependientes de tirosina . [24] Estos tumores tienen una mayor dependencia de la tirosina que las células normales para el crecimiento, y la investigación ha demostrado que la reducción de los niveles sistémicos de tirosina en ratones puede inhibir el crecimiento de melanomas. [25] El uso de células artificiales en el suministro de tirosinasa ; y enzima que digiere la tirosina, permite una mejor estabilidad de la enzima y se muestra eficaz en la eliminación de la tirosina sin los efectos secundarios graves asociados con la depravación de la tirosina en la dieta. [26]
La terapia con enzimas de células artificiales también es de interés para la activación de profármacos como la ifosfamida en ciertos cánceres. Las células artificiales que encapsulan la enzima citocromo p450 que convierte este profármaco en el fármaco activo pueden adaptarse para acumularse en el carcinoma pancreático o para implantar las células artificiales cerca del sitio del tumor. Aquí, la concentración local de la ifosfamida activada será mucho más alta que en el resto del cuerpo, evitando así la toxicidad sistémica . [27] El tratamiento fue exitoso en animales [28] y mostró una duplicación en la mediana de supervivencia entre los pacientes con cáncer de páncreas en estadio avanzado en los ensayos clínicos de fase I / II, y una tasa de supervivencia de un año triplicada. [27]
Terapia de genes
En el tratamiento de enfermedades genéticas, la terapia génica tiene como objetivo insertar, alterar o eliminar genes dentro de las células de un individuo afectado. La tecnología se basa en gran medida en vectores virales, lo que plantea preocupaciones sobre la mutagénesis insercional y la respuesta inmune sistémica que han provocado muertes humanas [29] [30] y desarrollo de leucemia [31] [32] en ensayos clínicos. Eludir la necesidad de vectores mediante el uso de ADN desnudo o plásmido como su propio sistema de administración también se encuentra con problemas como una baja eficiencia de transducción y una mala orientación a los tejidos cuando se administra por vía sistémica. [2]
Se han propuesto células artificiales como un vector no viral mediante el cual se encapsulan e implantan células no autólogas modificadas genéticamente para administrar proteínas recombinantes in vivo . [33] Este tipo de inmunoaislamiento ha demostrado ser eficaz en ratones mediante la administración de células artificiales que contienen hormona de crecimiento de ratón que rescató un retraso del crecimiento en ratones mutantes. [34] Algunas estrategias han avanzado a ensayos clínicos en humanos para el tratamiento del cáncer de páncreas , la esclerosis lateral y el control del dolor. [2]
Hemoperfusión
El primer uso clínico de las células artificiales fue en la hemoperfusión por encapsulación de carbón activado . [7] El carbón activado tiene la capacidad de adsorber muchas moléculas grandes y ha sido conocido durante mucho tiempo por su capacidad para eliminar sustancias tóxicas de la sangre en caso de intoxicación accidental o sobredosis. Sin embargo, la perfusión a través de la administración directa de carbón es tóxica ya que provoca embolias y daño de las células sanguíneas seguidas de la eliminación de las plaquetas. [35] Las células artificiales permiten que las toxinas se difundan en la célula mientras mantienen la carga peligrosa dentro de su membrana ultrafina. [7]
La hemoperfusión de células artificiales se ha propuesto como una opción de desintoxicación menos costosa y más eficiente que la hemodiálisis , [1] en la que el filtrado de la sangre se lleva a cabo solo a través de la separación por tamaño mediante una membrana física. En la hemoperfusión, miles de células artificiales adsorbentes se retienen dentro de un pequeño recipiente mediante el uso de dos pantallas en cada extremo a través de las cuales se perfunde la sangre del paciente . A medida que circula la sangre, las toxinas o los fármacos se difunden en las células y son retenidos por el material absorbente. Las membranas de las células artificiales son mucho más delgadas que las que se utilizan en diálisis y su pequeño tamaño significa que tienen una gran superficie de membrana . Esto significa que una parte de la célula puede tener una transferencia de masa teórica cien veces mayor que la de toda una máquina de riñón artificial. [1] El dispositivo se ha establecido como un método clínico de rutina para pacientes tratados por intoxicación accidental o suicida, pero también se ha introducido como terapia en la insuficiencia hepática y renal al realizar parte de la función de estos órganos. [1] También se ha propuesto la hemoperfusión de células artificiales para su uso en inmunoadsorción a través de la cual los anticuerpos pueden eliminarse del cuerpo uniendo un material inmunoadsorbente como la albúmina en la superficie de las células artificiales. Este principio se ha utilizado para eliminar los anticuerpos del grupo sanguíneo del plasma para el trasplante de médula ósea [36] y para el tratamiento de la hipercolesterolemia mediante anticuerpos monoclonales para eliminar las lipoproteínas de baja densidad . [37] La hemoperfusión es especialmente útil en países con una industria de fabricación de hemodiálisis débil, ya que los dispositivos tienden a ser más baratos allí y se utilizan en pacientes con insuficiencia renal .
Células encapsuladas
El método más común de preparación de células artificiales es a través de la encapsulación celular . Las células encapsuladas se logran típicamente mediante la generación de gotitas de tamaño controlado a partir de una suspensión celular líquida que luego se solidifican o gelifican rápidamente para proporcionar una estabilidad adicional. La estabilización se puede lograr mediante un cambio de temperatura o mediante la reticulación del material. [2] El microambiente que ve una célula cambia tras la encapsulación. Por lo general, pasa de estar en una monocapa a una suspensión en un armazón polimérico dentro de una membrana polimérica. Un inconveniente de la técnica es que encapsular una célula disminuye su viabilidad y capacidad para proliferar y diferenciarse. [38] Además, después de algún tiempo dentro de la microcápsula, las células forman grupos que inhiben el intercambio de oxígeno y desechos metabólicos, [39] conduciendo a la apoptosis y necrosis limitando así la eficacia de las células y activando el sistema inmunológico del huésped . Las células artificiales han tenido éxito en el trasplante de varias células, incluidos los islotes de Langerhans para el tratamiento de la diabetes , [40] células paratiroideas y células de la corteza suprarrenal.
Hepatocitos encapsulados
La escasez de donantes de órganos hace que las células artificiales sean actores clave en las terapias alternativas para la insuficiencia hepática . El uso de células artificiales para el trasplante de hepatocitos ha demostrado su viabilidad y eficacia para proporcionar función hepática en modelos de enfermedad hepática animal y dispositivos hepáticos bioartificiales . [41] La investigación surgió de experimentos en los que los hepatocitos se unieron a la superficie de un microportador [42] y evolucionaron a hepatocitos que están encapsulados en una matriz tridimensional en microgotas de alginato cubiertas por una piel exterior de polilisina . Una ventaja clave de este método de administración es la elusión de la terapia de inmunosupresión durante la duración del tratamiento. Se han propuesto encapsulaciones de hepatocitos para su uso en un hígado bioartifical . El dispositivo consta de una cámara cilíndrica incrustada con hepatocitos aislados a través de la cual el plasma del paciente circula extracorpóreamente en un tipo de hemoperfusión . Debido a que las microcápsulas tienen una alta relación de área superficial a volumen , proporcionan una gran superficie para la difusión del sustrato y pueden acomodar un gran número de hepatocitos. El tratamiento de ratones con insuficiencia hepática inducida mostró un aumento significativo en la tasa de supervivencia. [41] Los sistemas de hígado artificial aún se encuentran en un desarrollo temprano, pero muestran potencial para los pacientes que esperan un trasplante de órganos o mientras el propio hígado del paciente se regenera lo suficiente como para reanudar la función normal. Hasta ahora, los ensayos clínicos que utilizan sistemas hepáticos artificiales y trasplante de hepatocitos en enfermedades hepáticas en etapa terminal han mostrado una mejora de los marcadores de salud, pero aún no han mejorado la supervivencia. [43] La corta longevidad y la agregación de hepatocitos artificiales después del trasplante son los principales obstáculos encontrados. Los hepatocitos coencapsulados con células madre muestran una mayor viabilidad en cultivo y después de la implantación [44] y la implantación de células madre artificiales solas también ha mostrado regeneración hepática. [45] Como tal, ha surgido interés en el uso de células madre para la encapsulación en la medicina regenerativa .
Células bacterianas encapsuladas
Se ha propuesto la ingestión oral de colonias de células bacterianas vivas y actualmente se encuentra en terapia para la modulación de la microflora intestinal , [46] prevención de enfermedades diarreicas , [47] tratamiento de infecciones por H. Pylori , inflamaciones atópicas, [48] intolerancia a la lactosa [ 49] e inmunomodulación , [50] entre otros. El mecanismo de acción propuesto no se comprende completamente, pero se cree que tiene dos efectos principales. El primero es el efecto nutricional, en el que las bacterias compiten con las bacterias productoras de toxinas. El segundo es el efecto sanitario, que estimula la resistencia a la colonización y estimula la respuesta inmune . [2] La administración oral de cultivos bacterianos es a menudo un problema porque son atacados por el sistema inmunológico y, a menudo, se destruyen cuando se toman por vía oral. Las células artificiales ayudan a abordar estos problemas al proporcionar mimetismo en el cuerpo y una liberación selectiva o a largo plazo, lo que aumenta la viabilidad de las bacterias que llegan al sistema gastrointestinal . [2] Además, la encapsulación de células bacterianas vivas puede diseñarse para permitir la difusión de moléculas pequeñas, incluidos péptidos, en el cuerpo con fines terapéuticos. [2] Las membranas que han demostrado ser exitosas para la administración bacteriana incluyen acetato de celulosa y variantes de alginato . [2] Los usos adicionales que han surgido de la encapsulación de células bacterianas incluyen la protección contra el desafío de M. Tuberculosis [51] y la regulación positiva de las células secretoras de Ig del sistema inmunológico. [52] La tecnología está limitada por el riesgo de infecciones sistémicas, actividades metabólicas adversas y el riesgo de transferencia de genes. [2] Sin embargo, el mayor desafío sigue siendo la entrega de suficientes bacterias viables al sitio de interés. [2]
Glóbulo artificial
Portadores de oxígeno
Los portadores de oxígeno de tamaño nanométrico se utilizan como un tipo de sustitutos de los glóbulos rojos , aunque carecen de otros componentes de los glóbulos rojos. Están compuestos por un polimerosoma sintético o una membrana artificial que rodea a la hemoglobina recombinante, humana o animal purificada . [53] En general, la administración de hemoglobina sigue siendo un desafío porque es altamente tóxica cuando se administra sin modificaciones. En algunos ensayos clínicos se han observado efectos vasopresores. [54] [55]
las células rojas de la sangre
El interés de la investigación en el uso de células artificiales para la sangre surgió después del miedo al sida de la década de 1980. Además de evitar el potencial de transmisión de enfermedades, se desean glóbulos rojos artificiales porque eliminan los inconvenientes asociados con las transfusiones de sangre alogénicas, como la tipificación sanguínea, las reacciones inmunes y su corta vida de almacenamiento de 42 días. Un sustituto de hemoglobina puede almacenarse a temperatura ambiente y no refrigerado por más de un año. [1] Se han hecho intentos para desarrollar un glóbulo rojo en funcionamiento completo que comprenda carbónico no solo un portador de oxígeno sino también las enzimas asociadas con la célula. El primer intento se realizó en 1957 reemplazando la membrana de los glóbulos rojos por una membrana polimérica ultrafina [56], seguida de la encapsulación a través de una membrana lipídica [57] y, más recientemente, una membrana polimérica biodegradable. [1] También se puede utilizar una membrana biológica de glóbulos rojos que incluya lípidos y proteínas asociadas para encapsular nanopartículas y aumentar el tiempo de residencia in vivo evitando la captación de macrófagos y el aclaramiento sistémico. [58]
Leucopolimerosoma
Un leucopolimerosoma es un polimerosoma diseñado para tener las propiedades adhesivas de un leucocito . [59] Los polimerosomas son vesículas compuestas por una hoja bicapa que puede encapsular muchas moléculas activas, como fármacos o enzimas . Al agregar las propiedades adhesivas de un leucocito a sus membranas, se puede hacer que disminuyan la velocidad o rueden a lo largo de las paredes epiteliales dentro del sistema circulatorio que fluye rápidamente .
Células sintéticas
La celda mínima
El patólogo alemán Rudolf Virchow propuso la idea de que no solo la vida surge de las células, sino que cada célula proviene de otra célula; " Omnis cellula e cellula ". [60] Hasta ahora, la mayoría de los intentos de crear una célula artificial solo han creado un paquete que puede imitar ciertas tareas de la célula. Los avances en las reacciones de transcripción y traducción sin células permiten la expresión de muchos genes , pero estos esfuerzos están lejos de producir una célula completamente operativa.
El futuro está en la creación de una protocélula , o una célula que tenga todos los requisitos mínimos para la vida. Los miembros del Instituto J. Craig Venter han utilizado un enfoque computacional de arriba hacia abajo para eliminar los genes de un organismo vivo a un conjunto mínimo de genes. [5] En 2010, el equipo logró crear una cepa de replicación de Mycoplasma mycoides ( Mycoplasma laboratorium ) utilizando ADN creado sintéticamente que se consideraba el requisito mínimo para la vida que se insertaba en una bacteria genómicamente vacía. [5] Se espera que el proceso de biosíntesis descendente permita la inserción de nuevos genes que realizarían funciones rentables como la generación de hidrógeno para combustible o la captura de dióxido de carbono en exceso en la atmósfera. [61] la miríada de redes reguladoras, metabólicas y de señalización no están completamente caracterizadas. Estos enfoques de arriba hacia abajo tienen limitaciones para la comprensión de la regulación molecular fundamental, ya que los organismos huéspedes tienen una composición molecular compleja e incompleta. [62] En 2019 se publicó un modelo computacional completo de todas las vías en la célula Mycoplasma Syn3.0, que representa el primer modelo in silico completo para un organismo mínimo vivo. [63]
Grandes empresas como ExxonMobil , que se ha asociado con Synthetic Genomics Inc , han realizado grandes inversiones en biología ; La propia empresa de biosintéticos de Craig Venter en el desarrollo de combustible a partir de algas. [64]
A partir de 2016, Mycoplasma genitalium es el único organismo utilizado como punto de partida para la ingeniería de una célula mínima, ya que tiene el genoma más pequeño conocido que se puede cultivar en condiciones de laboratorio; la variedad de tipo salvaje tiene 482, y la eliminación de exactamente 100 genes considerados no esenciales dio como resultado una cepa viable con tasas de crecimiento mejoradas. Escherichia coli de genoma reducido se considera más útil y se han desarrollado cepas viables con un 15% del genoma eliminado. [65] : 29–30
Un enfoque de abajo hacia arriba para construir una célula artificial implicaría la creación de una protocélula de novo , enteramente a partir de materiales no vivos. Se propone crear una vesícula de bicapa de fosfolípidos con ADN capaz de autorreproducirse utilizando información genética sintética. Los tres elementos principales de estas células artificiales son la formación de una membrana lipídica , la replicación del ADN y el ARN a través de un proceso de molde y la recolección de energía química para el transporte activo a través de la membrana. [66] [67] Los principales obstáculos previstos y encontrados con esta protocélula propuesta son la creación de un ADN sintético mínimo que contenga toda la información suficiente para la vida y la reproducción de componentes no genéticos que son parte integral del desarrollo celular, como el yo molecular. -organización. [68] Sin embargo, se espera que este tipo de enfoque ascendente proporcione información sobre las cuestiones fundamentales de las organizaciones a nivel celular y los orígenes de la vida biológica. Hasta el momento, no se ha sintetizado ninguna célula completamente artificial capaz de autorreproducirse utilizando las moléculas de la vida, y este objetivo aún está en un futuro lejano, aunque varios grupos están trabajando actualmente para lograrlo. [69]
Otro método propuesto para crear una protocélula se parece más a las condiciones que se cree que estuvieron presentes durante la evolución conocida como sopa primordial. Se podrían encapsular varios polímeros de ARN en vesículas y, en condiciones de contorno tan pequeñas, se analizarían las reacciones químicas. [70]
Célula artificial electrónica
El concepto de célula artificial electrónica se ha ampliado en una serie de 3 proyectos de la UE coordinados por John McCaskill entre 2004 y 2015.
La Comisión Europea patrocinó el desarrollo del programa Programmable Artificial Cell Evolution (PACE) [71] de 2004 a 2008, cuyo objetivo era sentar las bases para la creación de "entidades autónomas microscópicas autoorganizadas, autorreplicantes y evolutivas construidas a partir de Sustancias orgánicas e inorgánicas simples que pueden ser programadas genéticamente para realizar funciones específicas " [71] para la eventual integración en los sistemas de información. El proyecto PACE desarrolló la primera Máquina Omega, un sistema de soporte vital de microfluidos para células artificiales que podría complementar las funcionalidades químicamente faltantes (como lo propusieron originalmente Norman Packard, Steen Rasmussen, Mark Beadau y John McCaskill). El objetivo final era lograr una célula híbrida evolutiva en un entorno programable a microescala complejo. Las funciones de la Máquina Omega podrían eliminarse paso a paso, lo que plantea una serie de desafíos evolutivos solucionables para la química de las células artificiales. El proyecto logró la integración química hasta el nivel de pares de las tres funciones centrales de las células artificiales (un subsistema genético, un sistema de contención y un sistema metabólico) y generó nuevos entornos de microfluidos programables resueltos espacialmente para la integración de contención y amplificación genética. [71] El proyecto condujo a la creación del centro europeo de tecnología viva. [72]
Tras esta investigación, en 2007, John McCaskill propuso concentrarse en una célula artificial complementada electrónicamente, llamada Electronic Chemical Cell. La idea clave era utilizar una serie de electrodos masivamente paralelos acoplados a circuitos electrónicos dedicados localmente, en una película delgada bidimensional, para complementar la funcionalidad celular química emergente. La información electrónica local que define los circuitos de detección y conmutación de electrodos podría servir como un genoma electrónico, complementando la información secuencial molecular en los protocolos emergentes. Una propuesta de investigación fue exitosa con la Comisión Europea y un equipo internacional de científicos que se superpone parcialmente con el consorcio PACE comenzó a trabajar en 2008-2012 en el proyecto Electronic Chemical Cells. El proyecto demostró, entre otras cosas, que el transporte local controlado electrónicamente de secuencias específicas podría utilizarse como un sistema de control espacial artificial para la proliferación genética de futuras células artificiales, y que los procesos centrales del metabolismo podrían realizarse mediante matrices de electrodos adecuadamente revestidos.
La principal limitación de este enfoque, además de las dificultades iniciales para dominar la electroquímica y la electrocinética a microescala, es que el sistema electrónico está interconectado como una pieza rígida no autónoma de hardware macroscópico. En 2011, McCaskill propuso invertir la geometría de la electrónica y la química: en lugar de colocar productos químicos en un medio electrónico activo, colocar componentes electrónicos autónomos microscópicos en un medio químico. Organizó un proyecto para abordar una tercera generación de células artificiales electrónicas a una escala de 100 µm que podrían autoensamblarse a partir de dos "etiquetas" de media celda para encerrar un espacio químico interno y funcionar con la ayuda de componentes electrónicos activos alimentados por el medio. están inmersos en. Estas células pueden copiar tanto su contenido electrónico como químico y serán capaces de evolucionar dentro de las limitaciones proporcionadas por sus bloques de construcción microscópicos pre-sintetizados especiales. En septiembre de 2012 se inició el trabajo en este proyecto. [73]
Ética y controversia
La investigación de Protocell ha creado controversias y opiniones opuestas, incluidos los críticos de la vaga definición de "vida artificial". [74] La creación de una unidad básica de vida es la preocupación ética más urgente, aunque la preocupación más generalizada sobre las protocélulas es su potencial amenaza para la salud humana y el medio ambiente a través de la reproducción incontrolada. [61]
Comunidad internacional de investigación
A mediados de la década de 2010, la comunidad de investigadores comenzó a reconocer la necesidad de unificar el campo de la investigación de células sintéticas, reconociendo que la tarea de construir un organismo vivo completo a partir de componentes no vivos estaba más allá de los recursos de un solo país. [75]
En 2017 se inició la colaboración internacional de investigación Build-a-Cell a gran escala para la construcción de células vivas sintéticas [76], seguida de organizaciones nacionales de células sintéticas en varios países. Esas organizaciones nacionales incluyen FabriCell, [77] MaxSynBio [78] y BaSyC. [79] Los esfuerzos europeos de células sintéticas se unificaron en 2019 como iniciativa SynCellEU. [80]
Ver también
- Chemoton
- Jeewanu
- Protocell
- Biología sintética
- Entrega de fármacos dirigida
- Respirocito
- Construye una celda
Referencias
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enlaces externos
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