Synthetische cellen communiceren met organische cellen

De vraag wat leven is, fascineert onderzoekers al decennia lang. De definities van levend weefsel en organismen worden dan ook steeds beter. De kleinste vorm van leven is een cel en  die bestaan bijvoorbeeld uit verschillende compartimenten. Daarnaast zijn ze in staat om energie te produceren, zich te vermenigvuldigen en te communiceren met de omgeving. Om deze verschijnselen beter te begrijpen, proberen onderzoekers vanaf de allerkleinste bouwstenen levende cellen te creëren. Dit betekent dat afzonderlijke bouwstenen als legoblokjes bij elkaar worden gebracht om cellulaire kenmerken na te bootsen.

In haar promotieonderzoek in de groep Bio-Organic Chemistry concentreerde Marleen van Stevendaal zich op het ontwikkelen van synthetische cellen die goed kunnen samenwerken met levend weefsel. Deze samenwerking maakt het mogelijk om op termijn synthetische cellen in te kunnen zetten voor bijvoorbeeld gerichte afgifte van signaalmoleculen. Daarnaast vergroot dit onderzoek het begrip hoe organische weefsel communiceren op fundamenteel niveau.

Goede communicatie vereist allereerst dat de synthetische cellen niet schadelijk zijn voor levende cellen. Bovendien moeten ze beschikken over een communicatiesysteem waarop levende cellen kunnen reageren en hun gedrag kunnen aanpassen. Ten slotte moet het mogelijk zijn om de synthetische cellen in te bouwen in de complexe omgeving van levende cellen en weefsels.

Celplatform

“Ik heb tijdens mijn bachelor en master verschillende stages gelopen, waaronder een stage bij Jan van Hest (professor Bio-Organic Chemistry en directeur van het instituut ICMS). Sommige onderzoeken waren puur chemisch, bij andere werkte ik juist met levende cellen. Tijdens mijn promotie wilde ik die werelden graag verbinden”, vertelt van Stevendaal. “Ik wilde graag een synthetisch celplatform ontwikkelen dat aan de criteria voldoet om samen te werken met levende cellen. Een celplatform betekent dat we een basismethode hebben waarmee we verschillende soorten celaspecten mee kunnen nabootsen , met precies de eigenschappen die we zoeken.

Het platform dat wij daarvoor gebruiken is gebaseerd op fase-scheidende polymeren die druppeltjes vormen, zogenaamde coacervaten. We hebben eerst onderzocht hoe de structuur en materiaalgebruik en opbouw van deze synthetische cellen de levensvatbaarheid van verschillende celtypen beïnvloeden. We ontdekten dat we de vrije polymeren in de synthetische cellen moesten verwijderen om te voorkomen dat ze giftig werden. Maar het was fijn om te constateren dat de synthetische cellen zelf geen schade toebrachten aan de levende cellen.”

Communicatie

Cellen communiceren op verschillende manieren, maar een ervan is via eiwitten. Onze synthetische cellen kunnende eiwit afgifte die nodig is voor deze vorm van communicatie echter nog niet regelen via de porien die zich bij organische cellen bevinden op het celmembraan. maar daar vond van Stevendaal wat op. “We ontwikkelden een systeem dat in de toekomst kan gaan communiceren met levende cellen. Dit communicatiesysteem is ontworpen om eiwitten tussen synthetische cellen te laten pendelen. Het systeem werkte in ons onderzoek al in de aanwezigheid van levende cellen, met behulp van eiwitten die ook de potentie hebben om signalen aan levende cellen door te gaan geven. Voorbeelden van dergelijke eiwitten zijn antilichamen en cytokinen. Een speciale groep cytokinen zijn chemokinen. Daarmee zijn we aan de slag gegaan.”

Chemokinen zijn de eiwitten die cellen gebruiken om elkaar de weg te wijzen. Weefsel weet onder invloed van de juiste chemokinen bijvoorbeeld waar bloedvaten moeten worden aangelegd. Van  Stevendaal gebruikte gekweekte organoïden van nierweefsel. Dat zijn stukjes levend nierweefsel die samen nog geen functionele nier vormen, maar wel reageren zoals nierweefsel reageert. Een vereenvoudigde organische versie van een stukje nier dus.

“De synthetische cellen die wij gebruiken, worden opgebouwd uit materialen die helemaal niet voorkomen in de natuur, maar andere onderzoekers maken ook synthetische cellen met enkel natuurlijke bouwblokken zoals DNA ”, vult van Stevendaal aan.

“We begonnen ons communicatiesysteem met een ‘model’-eiwit om onze synthetische cellen zodat we ons systeem goed konden karakteriseren met de microscoop.. Op dit eiwit  reageren levende cellen echter niet, vandaar dat we overstapten op chemokinen. We lieten het systeem vervolgens reageren op ultraviolet (UV) licht. Daarmee creëerden we een eenvoudig aan/uit-systeem dat in complexe omgevingen kan worden gebruikt. Zo waren we in staat om synthetische cellen te maken die chemokinen uitscheiden zodra ze werden blootgesteld aan UV-licht.”

Samenwerking op celniveau

Het onderzoek naar synthetische cellen en de communicatie met levende cellen biedt allerlei mogelijkheden voor vervolgonderzoek. Van Stevendaal: “We hopen ooit meer te weten te komen over hoe het leven is ontstaan en hoe bepaalde cellulaire processen, zoals DNA-translatie, plaatsvinden. Ook zijn deze zogenaamde synthetische cellen veelbelovend voor hun gebruik als slimme micromachines om biomedische problemen op te lossen.”

Het onderzoek van Van Stevendaal is een mooie stap naar communicatie en samenwerking van synthetische cellen met levende weefsels, maar er is meer onderzoek nodig. Een vervolgrichting is het complexer maken van de organoïden bijvoorbeeld, waardoor ze organen nog beter nabootsen. In de komende jaren zal het onderzoek worden voortgezet in de richting van chemokinesignalering met behulp van andere bekende chemokineconstructen.

Meer informatie

Marleen van Stevendaal verdedigde haar proefschrift genaamd Engineering interactions at the interface of living and synthetic cells op 11 oktober 2022. Ze werd begeleid door Jan van Hest.