Gruppeleder Irep Gözen ved Norsk senter for molekylærmedisin har mapper fulle med mikroskopbilder og -videoer av bittesmå, celleliknende beholdere som utfører diverse oppgaver i væskefase. En av «cellene» flytter seg hvis Gözen bruker en infrarød laser til å varme opp væsken i nærheten, akkurat som om den vil unnslippe varmekilden.
En annen «celle» begynner å strekke ut små, hule rør hvis Gözen tilsetter kalsiumioner i væsken rundt den – det ser nesten ut som om cellen forsøker å beskytte seg, eller kanskje den vil trekke til seg kalsiumionene.
– Dette er ikke celler i biologisk forstand, for de består bare av dødt materiale. Derfor sier vi ikke at vi arbeider med celler, men med celleliknende beholdere. Målsetningen er at vi skal klare å utvikle slike beholdere så langt at de i fremtiden kan brukes til flere ulike ting, som for eksempel en slags kirurgiske roboter, forteller Gözen.
– Tenk deg en bitteliten kunstig celle som er så smart at den kan injiseres i en blodåre, for deretter å reise rundt i blodbanen på jakt etter skadelige stoffer eller mikroorganismer. En annen kunstig celle kan for eksempel jakte på kreftceller som er i ferd med å spre seg i en kropp. Mens atter andre typer kan brukes til å samle opp mikroplast, tungmetaller eller andre forurensninger i miljøet, utdyper hun.
Går løs på de store utfordringene
Irep Gözen begynte å jobbe med slike merkelige, celleliknende beholdere for snart ti år siden, og nå skal arbeidet trappes opp. Universitetet i Oslos satsing UiO:Livsvitenskap har nemlig vedtatt å finansiere sju tverrfaglige konvergensmiljøer som skal jobbe med å løse store utfordringer relatert til helse og miljø. Gözen leder det ene av disse miljøene, med tittelen Programmable Cell-like Compartments.
De celleliknende beholderne som Gözen og kollegene eksperimenterer med, har ikke reseptorer eller arvestoff eller noen av de andre tingene som gjør at levende biologiske celler kan utføre oppgaver. «Cellene» er isteden så enkle som tenkes kan: De består for det meste av fosfolipid-molekyler som, helt av seg selv, har gått sammen og dannet små membraner etter at de ble tilsatt i en vannoppløsning. Membranene har attpåtil foldet seg pent sammen og dannet beholdere som likner på primitive, levende celler, men som er noe helt annet.
Beholderne bygger seg selv
Celleliknende beholdere dannes nemlig nærmest av seg selv når en spesiell type lipid-molekyler tilsettes en vandig løsning. Det skjer fordi mange lange lipid-molekyler er amfifile, det vil si at de er hydrofile og «elsker vann» i den ene enden, mens de er hydrofobe og «hater vann» i den andre enden. Vannmolekylene og lipidmolekylenes hydrofobe ende frastøter hverandre, og dermed organiserer lipidene seg selv til små, hule kuler eller sylindre hvor de vannavstøtende endene vender innover i hulrommet.
Prinsippet kalles self-assembly eller selvorganisering og er et kjent verktøy innen nanoteknologien. Ola Nilsen og Kristian Blindheim Lausund ved Kjemisk institutt jobber for eksempel med en teknikk som minner om å kaste en haug med stålbjelker opp i luften, for så å se Eiffeltårnet dannes når de faller til bakken.
Vil utvikle noe nyttig
Det er ingenting å si på tverrfagligheten i prosjektet. Gözen selv har en doktorgrad i kjemi og kompetanse innen både molekylærbiologi, genetikk, miljøteknikk og helseteknologi. Med seg på laget har hun cellebiologen Harald Stenmark, som allerede har utviklet en molekylær «verktøykasse» med proteiner og lipider som reagerer med andre stoffer på kjente måter.
I tillegg bidrar Andreas Carlson, som har bakgrunn innen anvendt matematikk og mekanikk, med kunnskap om modellering og beregninger, og vitenskapsfilosofen Gry Oftedal skal bidra med analyser av metoder, modeller og metaforer.
– Jeg er opptatt av at vitenskapsfilosofien skal være relevant for vitenskapelig praksis, og dette oppnås helt klart lettere i samarbeid med naturvitere. Det er forøvrig slik at alle naturvitenskapelige prosjekter har humanistiske og samfunnsvitenskapelige perspektiver, selv om de kanskje ikke alltid blir klart formulert, sier Oftedal.
Forskerne jobber ikke med dette bare fordi de er nysgjerrige, men fordi de ønsker å utvikle noe som kan være nyttig og samfunnsrelevant.
– Jeg påstår for all del ikke at vi kommer til å utvikle et nytt legemiddel eller noe annet praktisk anvendbart i løpet av tre-fire år. Men jeg tror vi skal klare å bevise at konseptet med celle-liknende beholdere som utfører forhåndsdefinerte oppgaver har noe for seg. Og beholderne skal altså kunne utføre disse oppgavene uten noen av de avanserte egenskapene som levende biologiske celler trenger, tilføyer hun.
Beveger seg uten egen energi
Irep Gözen er inspirert av at levende celler kan styres av forholdsvis enkle signaler. Både slimsopper og enkelte nematoder – og sædcellene hos pattedyr – styres nemlig av noen av de samme prinsippene som konvergens-forskerne anvender.
– Sædceller har evnen til å registrere små temperaturforskjeller, og så svømmer de i den retningen som gir økende temperatur. Dermed kommer de fort fram til egget, og når de er nær nok, endrer de adferd fordi de registrerer visse kjemiske stoffer som skilles ut av egget. På fagspråket kalles dette henholdsvis termotaksis og kjemotaksis, forteller Gözen.
– Vi har allerede sett at også de enkle, celleliknende beholderne kan reagere på påvirkninger i omgivelsene, som temperaturendringer eller tilsetning av kjemiske stoffer. I dette prosjektet skal vi utforske mulighetene for å «programmere» dem til å utføre mer avanserte oppgaver ved å variere membranenes sammensetning – ved å tilsette for eksempel proteiner eller andre kjemiske forbindelser, forteller Gözen.
De celleliknende beholderne har, i motsetning til sædceller og slimsopper, ingen egen energikilde når de reagerer på temperaturforskjeller eller kjemiske tilsetninger. Det som driver bevegelsene, er isteden forskjeller i overflatespenning mellom membranene og vannet de befinner seg i.
Minner om livets opprinnelse
Irep Gözens celleliknende beholdere har påfallende fellestrekk med de protocellene som kanskje oppsto på planeten vår for mange milliarder år siden, før de første levende cellene gjorde sitt inntog.
– Det finnes eksempler på at forskere har tatt utgangspunkt i levende celler og forenklet dem ved for eksempel å slå ut diverse gener. Vårt prosjekt begynner i den motsatte enden, med en halvgjennomtrengelig lipidmembran som er «smart» nok til å slippe igjennom noen molekyler, men ikke andre. Det skal bli spennende å se hvor langt vi kan komme med dette konseptet, konkluderer Gözen.
Vitenskapelige artikler:
Irep Gözen et al.: Thermal migration of molecular lipid films as a contactless fabrication strategy for lipid nanotube networks. Lab on a Chip, Issue 19, 2013.
Tatsiana Lobovkina, Irep Gözen et al.: Protrusive growth and periodic contractile motion in surface-adhered vesicles induced by Ca2+-gradients. Soft Matter, Issue 2, 2010.
Andre artikler:
- Gry Oftedal: Systembiologiens filosofi. Tidsskriftet Salongen, 24. juni 2015
- Norsk senter for molekylærmedisin: Irep Gözen - den kunstneriske forskeren. Publisert 29. des. 2016.
- Rektor Ole Petter Ottersen: En milepæl for UiOs satsing på livsvitenskap
-
UiO:Livsvitenskap: Møter framtidas helse- og miljøutfordringer med tverrfaglig livsvitenskap
- Gry Oftedals prosjekt: Causation and Reduction in Systems Biology (CRedS)
- Institutt for filosofi, ide- og kunsthistorie og klassiske språk: To IFIKK-forskere bidrar i satsingen på Livsvitenskap
