Integration of a light-switchable ATP regeneration system with motility modules : toward building an artificial cell and bio-hybrid micro-swimmer

Abstract

The reconstruction of cellular functions in a cell-like compartment is a current area of research in synthetic biology. Mimicking biological processes such as metabolism, growth and sensing is of prime importance, but achieving motility and directed movement is also challenging in the context of biomedical applications. To address these challenges, we have integrated an efficient light-driven ATP regeneration system with two types of motility modules. First, we reactivated isolated and demembranated flagella of Chlamydomonas reinhardtii (C. reinhardtii) with an artificial ATP regeneration module that allows us to control propulsion and beating frequency in response to light stimulation. Second, we constructed an artificial cell-like compartment by encapsulating microtubules with a force-generating molecular motors and light-switchable photosynthetic vesicles, in which we investigated motor-driven contraction of the filamentous network in response to optical stimuli. We have also constructed a bio-hybrid micro-swimmer by attaching a synthetic cargo with isolated axonemes from C. reinhardtii. First, we investigated the motion of the axoneme, which has an asymmetric waveform and is known to involve the superposition of a static component, a dynamic wave component travelling from base to the tip and higher harmonics. We report that calcium plays an important role in reshaping the axonemal waveform by affecting the static component and find that calcium concentrations above 0.03 mM trigger a transition from asymmetric to symmetric swimming trajectories. We performed principal component analysis, from which we conclude that shape of the axoneme can be reconstructed with high accuracy when the first four leading eigenmodes are taken into account. Next, considering the calcium switching mechanism, we built an axonemally-driven micro-swimmers that consumes ATP for directional transport of cargo at a speed of 20 μm/sec, comparable to the speed of human sperm in vivo. In addition to experimental studies, our analytical and numerical analysis reveals the existence of a counter-intuitive propulsion regime in which the velocity of the axonemally-driven cargo increases with the size of the bead. We also investigate the effect of bead-axoneme attachment geometry (symmetric versus asymmetric) on the swimming dynamics and show that the sideways attachment of the axoneme to the bead can also contribute to the rotational velocity of the micro-swimmers. This discovered mechanism could find applications in the design of an artificial micro-swimmers for targeted drug delivery.

Die Rekonstruktion zellulärer Funktionen in einem zellähnlichen Kompartiment ist ein aktuelles Forschungsgebiet der synthetischen Biologie. Die Nachahmung biologischer Prozesse wie Stoffwechsel, Wachstum und Sensorik ist von größter Bedeutung, aber auch die Erzielung von Motilität und gerichteter Bewegung ist im Zusammenhang mit biomedizinischen Anwendungen eine Herausforderung. Um diese Herausforderungen zu meistern, haben wir ein effizientes, lichtgetriebenes ATP-Regenerierungssystem mit zwei Arten von Motilitätssystemen integriert. Erstens haben wir isolierte und demembranisierte Geißeln von Chlamydomonas reinhardtii (C. reinhardtii) mit einem künstlichen ATP-Regenerationsmodul reaktiviert, das es uns ermöglicht, Antrieb und Schlagfrequenz als Reaktion auf Lichtstimulation zu steuern. Zweitens haben wir ein künstliches zellähnliches Kompartiment konstruiert, indem wir Mikrotubuli mit einem krafterzeugenden molekularen Motorprotein und lichtschaltbaren photosynthetischen Vesikeln eingekapselt haben, in denen wir die motorgetriebene Kontraktion des filamentösen Netzwerks als Reaktion auf optische Reize untersucht haben. Wir haben auch einen Bio-Hybrid-Mikroschwimmer konstruiert, indem wir eine synthetische Fracht mit isolierten Axonemen von C. reinhardtii verbunden haben. Zunächst untersuchten wir die Bewegung des Axonems, die eine asymmetrische Wellenform aufweist und bekanntermaßen aus der Überlagerung einer statischen Komponente, einer dynamischen Wellenkomponente, die sich von der Basis zur Spitze bewegt, und höheren Harmonischen besteht. Wir berichten, dass Kalzium eine wichtige Rolle bei der Umformung der axonemalen Wellenform spielt, indem es die statische Komponente beeinflusst, und stellen fest, dass Kalziumkonzentrationen über 0,03 mM einen Übergang von einer asymmetrischen zu einer symmetrischen Schwimmtrajektorie auslösen. Wir führten eine Hauptkomponentenanalyse durch, aus der wir schließen konnten, dass die Form des Axonems mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden kann, wenn die ersten vier führenden Eigenmoden berücksichtigt werden. Dann bauten wir unter Berücksichtigung des Kalzium-Schaltmechanismus einen axonemal angetriebenen Mikroschwimmer, der ATP für den gerichteten Transport der Ladung mit einer Geschwindigkeit von 20 μm/s verbraucht, vergleichbar mit der Geschwindigkeit menschlicher Spermien in vivo. Zusätzlich zu den experimentellen Studien zeigt unsere analytische und numerische Analyse die Existenz eines kontra-intuitiven Antriebsregimes, in dem die Geschwindigkeit der axonemal angetriebenen Fracht mit der Größe der Perle zunimmt. Wir untersuchen auch die Auswirkung der Geometrie der Befestigung von Perle und Axonem (symmetrisch oder asymmetrisch) auf die Schwimmdynamik und zeigen, dass die seitliche Befestigung des Axonems an der Perle ebenfalls zur Rotationsgeschwindigkeit des Mikroschwimmers beitragen kann. Dieser entdeckte Mechanismus könnte bei der Entwicklung eines künstlichen Mikroschwimmers für die gezielte Verabreichung von Medikamenten Anwendung finden.