Crear sistemas artificiales que imiten el funcionamiento de las células es uno de los objetivos de la llamada biología sintética. Estos modelos, conocidos como células sintéticas o biomiméticas, permiten reproducir en el laboratorio algunos de los procesos básicos de la vida para entender mejor cómo funcionan las células naturales y desarrollar nuevas tecnologías.
En este contexto se enmarca un nuevo estudio en el que participa un equipo de investigadores del Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS), que propone una estrategia química más flexible para crear este tipo de sistemas. El objetivo, según explican, es diseñar estructuras que imiten ciertas funciones celulares y que puedan utilizarse como pequeños reactores químicos. “La idea es intentar replicar funciones celulares a nivel de encapsulación de enzimas y de comunicación”, explica el investigador Lucas García, refiriéndose a sistemas artificiales capaces de recrear procesos que, en las células reales, permiten, por ejemplo, que diferentes reacciones tengan lugar dentro de un mismo compartimento.
Un reto: la complejidad experimental
Uno de los principales desafíos a la hora de desarrollar estos sistemas es la complejidad del proceso experimental. Normalmente, cuando los investigadores quieren modificar las propiedades de un material o probar nuevas formulaciones, deben seguir una larga cadena de pasos que incluye el diseño del polímero, su síntesis en el laboratorio, la purificación y la caracterización. Para evitar este proceso repetitivo, el equipo apostó por una estrategia distinta: emplear enlaces químicos reversibles que permiten modificar las propiedades del sistema directamente en la disolución. Así, en lugar de tener que crear una gran colección de compuestos diferentes, los científicos pueden partir de un único material y ajustar su comportamiento añadiendo pequeñas moléculas. El resultado es un método más eficiente que facilita explorar rápidamente diferentes posibilidades experimentales.
Pequenos compartimentos que funcionan como fábricas químicas
Para crear estos sistemas biomiméticos, los investigadores emplearon una estrategia basada en la llamada química covalente dinámica con boronatos, un tipo de enlaces que pueden formarse y romperse de manera reversible en disolución acuosa. Gracias a esta propiedad, es posible modificar las características del sistema simplemente añadiendo determinadas moléculas.
En el estudio, el equipo partió de un polímero soluble en agua que, al interactuar con otras moléculas de carga opuesta llamadas catecoles, es capaz de separarse de la disolución y formar pequeñas gotas microscópicas conocidas como coacervados, que funcionan como compartimentos químicos. Estas microgotas recuerdan, en cierta medida, al interior de una célula. “El sistema per se, el original, emularía lo que es el citoplasma, porque tiene un ambiente que está cargado de macromoléculas”, explica el investigador Bruno Delgado.
Además, los investigadores lograron rodear estas estructuras con una especie de membrana artificial, empleando un copolímero anfifílico (un polímero con partes que atraen el agua y otras que la repelen), un material que se sitúa en la superficie de la gota y la separa del medio que la rodea. Esta capa funciona de manera similar a la membrana de las células reales, permitiendo controlar qué moléculas pueden entrar o salir.
En el interior de estas estructuras también se pueden introducir enzimas, proteínas que aceleran reacciones químicas. De este modo, cada gota puede actuar como una pequeña “fábrica química” microscópica donde tienen lugar diferentes procesos. “Un reactor que permite acelerar las cinéticas de reacción, permite comunicar entre dos poblaciones diferentes de sistemas”, señala Lucas García, refiriéndose a que estas estructuras pueden producir moléculas que después interactúan con otras similares.
Resultados que sorprendieron a los propios investigadores
Uno de los hallazgos que más llamó la atención del equipo fue cómo la incorporación de pequeñas moléculas llamadas dopantes aumentaba la actividad de las enzimas encapsuladas en el interior de las microgotas. “Pensábamos que la actividad iba a reducirse y, al final, fue al contrario: la aumentamos al añadir los dopantes”, comenta Bruno Delgado. Este efecto inesperado mostró que, además de modular propiedades físicas como la estabilidad o la forma de las gotas, también era posible influir directamente en el comportamiento químico interno, un aspecto clave para desarrollar sistemas más complejos que funcionen de manera controlada.
Otro elemento sorprendente fue el comportamiento del copolímero que forma la membrana artificial alrededor de las microgotas. Según explican los investigadores, su interacción con el sistema dependía de las condiciones del experimento, y descubrir cómo se estabilizaban las estructuras fue un paso fundamental. Estos resultados no solo confirmaron la eficacia del método, sino que también abrieron nuevas posibilidades para diseñar compartimentos más complejos y eficientes, capaces de imitar de manera más precisa ciertos procesos de las células reales.
El futuro de las células sintéticas
Las posibilidades que abren estos sistemas biomiméticos van más allá del laboratorio. Según los investigadores, una de las aplicaciones más prometedoras es el desarrollo de tejidos sintéticos, capaces de replicar funciones de las células reales y, eventualmente, emplearse en medicina regenerativa. “Esto podría tener aplicaciones para regenerar tejidos, y también podríamos hablar de diferenciación de células madre”, explica Lucas García.
La capacidad de crear compartimentos que pueden interactuar y producir reacciones químicas controladas también podría abrir la puerta a implantes más avanzados, capaces de sintetizar sustancias terapéuticas directamente en el organismo. Para Bruno Delgado, otro campo de aplicación destacable está en la combinación de células naturales y artificiales para crear híbridos que permitan controlar procesos biológicos de forma más precisa. “Podrías controlar, por ejemplo, no solo la liberación, sino la producción in situ de un fármaco, algo que hoy en día no se ha conseguido aún”, señala.
En cuanto a los siguientes pasos de la investigación, los científicos destacan dos líneas principales: por un lado, profundizar en la comprensión de los mecanismos moleculares que controlan el comportamiento de las microgotas; por otro, explorar aplicaciones más complejas, como la formación de tejidos sintéticos y sistemas que funcionen como pequeños laboratorios en miniatura dentro del cuerpo o del laboratorio. Como concluye Lucas García: “La formación de células sintéticas sigue siendo algo con un interés enorme en la investigación, pero ya se están dando pasos hacia la siguiente etapa”, indicando que este estudio es solo un primer paso hacia sistemas más sofisticados que podrían combinar eficiencia química, control biológico y aplicaciones médicas innovadoras.
Por Sara Martínez López, GCiencia.
El CiQUS cuenta con el reconocimiento CIGUS de la Xunta de Galicia, que acredita la calidad e impacto de su investigación, y recibe apoyo financiero de la Unión Europea a través del Programa Galicia FEDER 2021-2027.