Progettazione di interruttori molecolari per costruire la polarizzazione delle celle da zero
Si pensa che la vita cellulare sia emersa quando miscele di molecole precursori sono state incapsulate in compartimenti grezzi per generare cellule primitive chiamate «protocellule». Tuttavia, per mostrare i comportamenti che associamo alla vita, come la divisione cellulare e la motilità, i componenti cellulari devono anche auto-organizzarsi nello spazio e nel tempo.
Utilizzo di elementi costitutivi biologici per generare interruttori molecolari artificiali
Uno di questi processi di auto-organizzazione è la polarizzazione cellulare, in cui le molecole distribuite in modo omogeneo all’interno delle cellule diventano asimmetriche. Per studiare questo processo si usano di solito metodi «dall’alto verso il basso», dove si misura l’esito delle perturbazioni applicate a un sistema naturale. Con il sostegno del programma Marie Skłodowska-Curie, il progetto POLAR ha invece utilizzato un approccio complementare di biologia sintetica dal basso verso l’alto. «Abbiamo costruito modelli minimi a partire da blocchi biologici per produrre sistemi sintetici che ricapitolano un aspetto meccanicistico fondamentale della polarizzazione cellulare e dell’auto-organizzazione», ha spiegato il borsista di POLAR Leon Harrington, che ha condotto il progetto sotto la guida della coordinatrice Petra Schwille. Per testare i meccanismi di auto-organizzazione, i ricercatori hanno costruito un interruttore a membrana sintetica che si ispira alle proteine Escherichia coli Min, un sistema di pattern-forming ben studiato che facilita la divisione cellulare batterica. Lavorando con i collaboratori Jordan Fletcher e Dek Woolfson dell’Università di Bristol, Harrington ha progettato e costruito un interruttore a membrana reversibile che utilizza motivi peptidici minimi noti come eliche superavvolte. Queste molecole sono molto più piccole dei domini proteici e hanno regole di progettazione più tracciabili e prevedibili. Il team è stato in grado di commutare le eliche superavvolte tra gli stati di monomero ed eterodimero mediante fosforilazione e defosforilazione reversibili. Il «modulo» risultante è stato successivamente accoppiato a motivi a membrana per costruire interruttori a membrana reversibili che possono essere utilizzati per studiare i meccanismi di rottura della simmetria. Le biomolecole sono inclini a non aderire in modo specifico in contesti sintetici, rendendo particolarmente difficile l’ingegnerizzazione e il controllo delle interazioni proteina-proteina e proteina-lipide. Harrington ammette che è stato tecnicamente impegnativo, ma che «la migliore prova di una teoria o di un meccanismo è costruirlo dalle fondamenta e metterlo alla prova». L’approccio dal basso verso l’alto del progetto POLAR permette agli scienziati di concentrarsi sullo stretto necessario per i processi viventi e consente l’uso di una gamma più ampia di tecniche di misurazione di quanto sarebbe possibile all’interno di un organismo vivente.
Applicazioni future del sistema POLAR
I piani futuri prevedono l’introduzione di moduli aggiuntivi per generare feedback positivi e negativi, testando così in modo decisivo i meccanismi di rottura della simmetria. Gli scienziati stanno anche incorporando componenti a base di DNA nel sistema POLAR. La facilità di manipolazione del DNA e il suo comportamento prevedibile li rendono particolarmente attraenti come elementi costitutivi biologici. Le applicazioni degli interruttori molecolari vanno oltre l’obiettivo principale di studiare la rottura della simmetria. Avvalendosi di collaboratori, Harrington e i colleghi sono interessati ad ampliare il campo di applicazione degli interruttori molecolari POLAR, ad esempio utilizzando altri tipi di modifica post-traslazionale, o progettando interruttori con stechiometrie più alte, come trimmer e tetrametri. Prevedono anche di integrare questi interruttori all’interno di strutture proteiche progettate per generare un comportamento dinamico all’interno delle cellule. Nel complesso, lo sviluppo di moduli di interazione a eliche superavvolte reversibili apre molte strade per la progettazione di sistemi molecolari dinamici. Guardando avanti, Harrington conclude: «Queste tecnologie saranno ampiamente vantaggiose per la comunità della biologia sintetica».
Parole chiave
POLAR, interruttore molecolare, rottura della simmetria, polarizzazione delle cellule, elica superavvolta, biologia sintetica, DNA