Uma célula artificial, célula sintética ou célula mínima é uma partícula projetada que imita uma ou muitas funções de uma célula biológica. Frequentemente, as células artificiais são membranas biológicas ou poliméricas que envolvem materiais biologicamente ativos. Assim, lipossomas, polímeros, nanopartículas, microcápsulas e uma série de outras partículas podem ser qualificadas como células artificiais.
Engenharia de baixo para cima de células artificiais vivas direita|miniaturadaimagem|240x240px| Diagrama de vesículas lipídicas mostrando uma solução de biomoléculas (pontos verdes) presas no interior da vesícula O patologista alemão Rudolf Virchow apresentou a ideia de que não só a vida surge das células, mas cada célula provém de outra célula; "Omnis cellula e cellula". Até agora, a maioria das tentativas de criar uma célula artificial envolveu módulos projetados que podem imitar certas funções de células vivas. Os avanços nas reações de transcrição e tradução livres de células permitem a expressão de muitos genes, bem como redes genéticas e metabólicas interdependentes, mas esses esforços ainda estão longe de produzir uma célula totalmente operacional.
Uma abordagem de baixo para cima para construir uma célula artificial envolveria a criação de uma protocélula de novo, inteiramente de materiais não vivos. Como o termo "célula" indica, um pré-requisito é a geração de algum tipo de compartimento que defina uma unidade celular individual. As membranas fosfolipídicas são uma escolha óbvia como limites compartimentais, pois atuam como barreiras seletivas em todas as células biológicas vivas. Os cientistas podem encapsular biomoléculas em vesículas fosfolipídicas do tamanho de células e, ao fazê-lo, observar que essas moléculas agem de forma semelhante às células biológicas e, assim, recriar certas funções celulares.
Propõe-se criar uma vesícula bicamada fosfolipídica com DNA capaz de se auto-reproduzir usando informação genética sintética. Os três elementos principais dessas células artificiais são a formação de uma membrana lipídica, a replicação do DNA e do RNA por meio de um processo de molde e a coleta de energia química para transporte ativo através da membrana. Os principais obstáculos previstos e encontrados com esta protocélula proposta são a criação de um DNA sintético mínimo que contenha todas as informações suficientes para a vida e a reprodução de componentes não genéticos que são essenciais no desenvolvimento celular, como a auto-organização molecular. No entanto, espera-se que esse tipo de abordagem de baixo para cima forneça insights sobre questões fundamentais das organizações no nível celular e as origens da vida biológica. Até agora, nenhuma célula completamente artificial capaz de auto-reprodução foi sintetizada usando as moléculas da vida, e esse objetivo ainda está em um futuro distante, embora vários grupos estejam atualmente trabalhando para atingir esse objetivo.
Outro método proposto para criar uma protocélula se assemelha mais às condições que se acredita terem estado presentes durante a evolução, conhecida como sopa primordial. Vários polímeros de RNA poderiam ser encapsulados em vesículas e, nessas pequenas condições de contorno, as reações químicas seriam testadas.
Ética e controvérsia A pesquisa sobre protocélulas criou controvérsia e opiniões opostas, incluindo críticas à definição vaga de "vida artificial". A criação de uma unidade básica de vida é a preocupação ética mais premente. Os organismos sintéticos poderiam escapar e causar danos à saúde humana e aos ecossistemas, ou a tecnologia poderia ser usada para fabricar uma arma biológica. As células com certas bioquímicas não padronizadas, como a vida-espelho, também podem ter uma vantagem competitiva sobre os organismos naturais.
Comunidade Internacional de Pesquisa Em meados da década de 2010, a comunidade de investigação começou a reconhecer a necessidade de unificar o campo da investigação sobre células sintéticas, reconhecendo que a tarefa de construir um organismo vivo inteiro a partir de componentes não vivos estava além dos recursos de um único país.
Em 2017, foi iniciada a colaboração internacional de pesquisa em larga escala Build-a-Cell, financiada pela NSF, para a construção de células vivas sintéticas. A Build-a-Cell realizou nove eventos de workshops interdisciplinares, abertos a todos os interessados, para discutir e orientar o futuro da comunidade de células sintéticas. O Build-a-Cell foi seguido por organizações nacionais de células sintéticas em vários outros países. Essas organizações nacionais incluem FabriCell, MaxSynBio e BaSyC. Os esforços europeus em matéria de células sintéticas foram unificados em 2019 como iniciativa SynCellEU.
Abordagem de cima para baixo para criar uma célula viva mínima Membros do Instituto J. Craig Venter usaram uma abordagem computacional de cima para baixo para eliminar genes em um organismo vivo para um conjunto mínimo de genes. Em 2010, a equipe conseguiu criar uma cepa replicadora (denominada Mycoplasma laboratorium) de Mycoplasma mycoides usando DNA criado sinteticamente, considerado o requisito mínimo para a vida, que foi inserido em uma bactéria genomicamente vazia. Espera-se que o processo de biossíntese de cima para baixo permita a inserção de novos genes que desempenharão funções lucrativas, como a geração de hidrogênio para combustível ou a captura do excesso de dióxido de carbono na atmosfera. As inúmeras redes regulatórias, metabólicas e de sinalização não estão completamente caracterizadas. Essas abordagens de cima para baixo apresentam limitações para a compreensão da regulação molecular fundamental, uma vez que os organismos hospedeiros têm uma composição molecular complexa e incompletamente definida. Em 2019, um modelo computacional completo de todas as vias na célula Mycoplasma Syn3.0 foi publicado, representando o primeiro modelo in silico completo para um organismo mínimo vivo.
Grandes empresas como a ExxonMobil, que fez parceria com a Synthetic Genomics Inc., empresa de biossintéticos de Craig Venter, no desenvolvimento de combustível a partir de algas, realizaram investimentos pesados em biologia.
Em 2016, o Mycoplasma genitalium era o único organismo usado como ponto de partida para a engenharia de uma célula mínima, pois tinha o menor genoma conhecido que pode ser cultivado em condições de laboratório; a variedade selvagem tinha 482, e a remoção de exatamente 100 genes considerados não essenciais resultou em uma cepa viável com taxas de crescimento melhoradas. A Escherichia coli de genoma reduzido é considerada mais útil, e cepas viáveis foram desenvolvidas com 15% do genoma removido.
Foi criada uma variação de uma célula artificial na qual um genoma completamente sintético foi introduzido em células hospedeiras esvaziadas genomicamente.
Células artificiais para aplicações médicas
História Na década de 1960, Thomas Chang desenvolveu microcápsulas que mais tarde chamaria de "células artificiais", pois eram compartimentos do tamanho de uma célula feitos de materiais artificiais. Essas células consistiam em membranas ultrafinas de náilon, colódio ou proteína reticulada, cujas propriedades semipermeáveis permitiam a difusão de pequenas moléculas para dentro e para fora da célula. Essas células eram do tamanho de um micrômetro e continham células, enzimas, hemoglobina, materiais magnéticos, adsorventes e proteínas.
As células artificiais posteriores variam de dimensões de centenas de micrômetros a nanômetros e podem transportar microrganismos, vacinas, genes, medicamentos, hormônios e peptídeos. O primeiro uso clínico de células artificiais foi na hemoperfusão através do encapsulamento de carvão ativado.
Na década de 1970, os pesquisadores conseguiram introduzir enzimas, proteínas e hormônios em microcápsulas biodegradáveis, o que levou posteriormente ao uso clínico em doenças como a síndrome de Lesch-Nyhan. Embora a pesquisa inicial de Chang tenha se concentrado em glóbulos vermelhos artificiais, somente em meados da década de 1990 foram desenvolvidos glóbulos vermelhos artificiais biodegradáveis. As células artificiais em encapsulamento de células biológicas foram usadas pela primeira vez na clínica em 1994 para tratamento em um paciente diabético e desde então outros tipos de células, como hepatócitos, células-tronco adultas e células geneticamente modificadas foram encapsuladas e estão em estudo para uso na regeneração de tecidos.
Materiais alt=Different types of artificial cell membranes.|miniaturadaimagem|450x450px| Tipos representativos de membranas celulares artificiais Membranas para células artificiais podem ser feitas de polímeros simples, proteínas reticuladas, membranas lipídicas ou complexos polímero-lipídios. Além disso, as membranas podem ser projetadas para apresentar proteínas de superfície, como albumina, antígenos, transportadores de Na/K-ATPase ou poros, como canais iônicos. Os materiais comumente usados para a produção de membranas incluem polímeros de hidrogel, como alginato, celulose e polímeros termoplásticos, como hidroxietilmetacrilato-metilmetacrilato (HEMA-MMA), poliacrilonitrila-cloreto de polivinila (PAN-PVC), bem como variações dos mencionados acima. O material utilizado determina a permeabilidade da membrana celular, que no caso do polímero é importante para determinar a difusão adequada de nutrientes, resíduos e outras moléculas críticas. Os polímeros hidrofílicos têm o potencial de serem biocompatíveis e podem ser fabricados em uma variedade de formas que incluem micelas de polímero, misturas sol-gel, misturas físicas e partículas reticuladas e nanopartículas.
Relevância clínica Liberação e administração de medicamentos As células artificiais usadas para administração de medicamentos diferem de outras células artificiais, pois seu conteúdo deve se difundir para fora da membrana ou ser englobado e digerido por uma célula-alvo hospedeira. Frequentemente são utilizadas células artificiais de membrana lipídica submicrométrica que podem ser chamadas de nanocápsulas, nanopartículas, polimeromas ou outras variações do termo.
Um sistema sensível à temperatura foi desenvolvido para usar termômetros de RNA para controlar o tempo e a localização da liberação da carga de células artificiais. Isto é feito através da expressão de uma proteína formadora de poros – a alfa-hemolisina – por células artificiais, sob o controlo de um termômetro de RNA, permitindo que a libertação da carga seja acoplada às alterações de temperatura.
Terapia enzimática A terapia enzimática está sendo ativamente estudada para doenças metabólicas genéticas em que uma enzima é superexpressa, subexpressa, defeituosa ou inexistente. No caso de subexpressão ou expressão de uma enzima defeituosa, uma forma ativa da enzima é introduzida no corpo para compensar o déficit. Por outro lado, uma superexpressão enzimática pode ser neutralizada pela introdução de uma enzima não funcional concorrente; isto é, uma enzima que metaboliza o substrato em produtos não ativos. Quando colocadas dentro de uma célula artificial, as enzimas podem desempenhar sua função por um período muito mais longo em comparação com as enzimas livres e podem ser ainda mais otimizadas pela conjugação de polímeros.