Célula artificial ultrasimple: cómo una vesícula lipídica puede moverse sola usando solo química

Diseñan una célula artificial tan básica que solo necesita una enzima, un poro y una membrana… pero con la asombrosa capacidad de moverse sola. Este avance nos muestra cómo la química, sin motores ni ADN, puede dar vida al movimiento.

Por Enrique Coperías

Ilustración artística de una célula artificial mínima en movimiento: la vesícula lipídica encapsula una enzima que, al reaccionar con un sustrato químico, genera un gradiente de productos que escapan por un poro en su membrana. Esta asimetría impulsa su desplazamiento quimiotáctico, simulando el comportamiento de una célula viva. Imagen generada con DALL-E

En lo más profundo de nuestro cuerpo, células de todo tipo se mueven a través de fluidos complejos, persiguiendo señales químicas como si fueran miguitas de de pan que flotan en el aire. Las bacterias lo hacen para buscar nutrientes; y los glóbulos blancos, para combatir infecciones. Incluso los espermatozoides, en su viaje hacia el óvulo, siguen estos caminos químicos invisibles por el útero hasta las trompas de Falopio.

Este fenómeno, conocido como quimiotaxis, ha sido durante mucho tiempo una marca distintiva de la vida.

Pero ¿qué pasaría si una estructura sin núcleo, sin ADN, sin flagelos y sin sistema nervioso pudiera hacer lo mismo? ¿Y si bastaran una enzima, una burbuja y un poro para crear una célula artificial que, literalmente, se orienta sola?

Anatomía de la célula artificial más simple

Eso es precisamente lo que ha logrado un equipo del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), liderado por el investigador Giuseppe Battaglia. En colaboración con instituciones del Reino Unido y el País Vasco, el equipo ha construido la célula sintética más simple del mundo que es capaz de moverse hacia una fuente de alimento siguiendo un gradiente químico, como si tuviera una brújula molecular.

El avance, publicado en la revista Science Advances, no solo ofrece una nueva perspectiva sobre cómo podría haber comenzado la vida en la Tierra, sino que sienta las bases para futuras aplicaciones en medicina y nanotecnología.

El corazón del experimento es una vesícula lipídica, también llamada liposoma, una diminuta esfera formada por moléculas similares a las de nuestras propias membranas celulares. Dentro de esta burbuja, los investigadores encapsularon una única enzima, según el experimento: o una glucosa oxidasa, que cataliza la oxidación de la glucosa; o una ureasa, que cataliza la hidrólisis de urea a dióxido de carbono y amoníaco.

Cómo funciona esta célula sintética

Pero el verdadero truco está en la proteína α-hemolisina. Esta molécula, una toxina bacteriana producida por Staphylococcus aureus, perfora la membrana del liposoma y crea poros.

Estas oquedades, controladas y bien distribuidas, permiten que los productos químicos salgan del interior de la vesícula de manera desigual, generando de esta manera una asimetría. Y de esa asimetría nace el movimiento celular.

«Estas células sintéticas son como planos para el sistema de navegación de la naturaleza. Construimos simple para comprender en profundidad —afirma el profesor Battaglia, del Grupo de Biónica Molecular, en un comunicado del IBEC—. En otras palabras, al reducir una célula a sus elementos esenciales, se revelan los principios que rigen su comportamiento».

¿Qué es la autodifusioforesis y por qué es relevante?

La clave está en un fenómeno físico llamado propusión por autodifusioforesis. Cuando la enzima dentro de la vesícula reacciona con el sustrato —glucosa o urea—, genera productos que salen al exterior, especialmente por el poro. Esta salida es asimétrica: se concentra más en un lado, lo que provoca un flujo de líquido a lo largo de la superficie de la vesícula. Como resultado, la vesícula artificial es empujada en la dirección opuesta, hacia la fuente de sustrato.

«Es como si el liposoma fuera un pequeño barco, y el poro y la enzima fueran su motor y su sistema de navegación», explica la investigadora Bárbara Borges Fernandes, primera autora del estudio, estudiante de doctorado en el IBEC y profesora en la Universidad de Barcelona.

Lo más sorprendente es que todo esto ocurre sin partes móviles, sin sensores, sin combustible externo. Solo química pura y física bien aprovechada.

Análisis experimental: seguimiento de más de 10.000 vesículas

Para estudiar este comportamiento, los científicos analizaron más de 10.000 vesículas en canales microfluídicos especialmente diseñados. En un extremo colocaban solo solución salina, en el otro, la solución con glucosa o urea. Así se generaba un gradiente químico, como un mapa de calor que las vesículas podían seguir.

A través de microscopía confocal y análisis por software de seguimiento de partículas, observaron que solo las vesículas que combinaban enzimas y poros mostraban un movimiento neto hacia la fuente de sustrato. Las vesículas vacías o sin poros simplemente se desplazaban al azar o incluso eran arrastradas por fenómenos pasivos, como la difusión y la osmosis.

«El número de poros fue clave —señala Borges. Y añade—: Vimos que a medida que aumentábamos la cantidad de poros, también crecía la componente quimiotáctica del movimiento. Hasta que, finalmente, se invertía la dirección del desplazamiento y las vesículas se dirigían hacia zonas con más sustrato”.

Es decir, en condiciones ideales, las vesículas no solo se movían, sino que lo hacían de forma inteligente, buscando el lugar donde había más nutrientes.

Giuseppe Battaglia (izquierda) y Bárbara Borges (derecha), coautores del estudio y padres de la célula mínima. Cortesía: Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC)

El poder de la biología sintética

En palabras de los investigadores, el concepto romper la simetría es central en este experimento. En los sistemas vivos, la quimiotaxis normalmente requiere estructuras asimétricas complejas: receptores celulares, motores moleculares, sistemas de señalización. Aquí, la asimetría se logra de forma elegantemente simple: una reacción química encerrada y una salida única.

Battaglia lo resume con una metáfora provocadora: «La biología es ruidosa, tiene demasiadas piezas. Así que hacemos trampa y la reconstruimos simplificada, con solo tres: una membrana, una enzima y un poro. Sin complicaciones, las reglas antes ocultas salen a la luz. Eso es el poder de la biología sintética”.

En cierto sentido, este enfoque recuerda a desmontar un reloj suizo para entender cómo funciona. Solo que en este caso, el reloj es una célula artificial, y las piezas están hechas de moléculas funcionales.

Entre el origen de la vida y el futuro de la medicina

Desde una perspectiva evolutiva, este estudio plantea preguntas fascinantes: ¿podrían las primeras formas de vida haber surgido a partir de estructuras tan simples? ¿Fue la quimiotaxis uno de los primeros comportamientos inteligentes que apareció en protocélulas primitivas?

Pero más allá de la especulación científica, las implicaciones prácticas son igual de apasionantes. Diseñar vesículas que se muevan por sí solas hacia un estímulo químico abre la puerta a nuevos métodos de administración de fármacos, especialmente en entornos donde existen gradientes naturales, como los tejidos tumorales y las zonas inflamadas.

«Podemos imaginar pequeños vehículos terapéuticos que navegan hacia su objetivo siguiendo señales químicas, sin necesidad de controles externos —explica Battaglia—. La medicina del futuro podría parecerse más a una colonia de microrrobots autónomos que a una jeringa».

Esquema de una célula quimiotáctica mínima. (A) La vesícula lipídica encapsula una enzima y se perfora con poros asimétricos formados por la proteína Hly. (B-C) Al reaccionar con el sustrato, se genera un gradiente de productos que impulsa el movimiento de la vesícula hacia zonas de mayor concentración. Cortesía: Bárbara Borges-Fernandes et al.

Un enorme modelo minimalista

En los últimos años, la biología sintética ha avanzado enormemente en la construcción de sistemas celulares artificiales. Ya se han recreado procesos como la transcripción genética, la fotosíntesis artificial y la reproducción celular en sistemas encapsulados.

Lo que distingue a este trabajo es que por primera vez se ha logrado reproducir un comportamiento activo de movimiento con un diseño tan mínimo.

Como señala Borges Fernandes: «Lo que nos parece fascinante es que este tipo de movimiento dirigido puede producirse incluso sin la compleja maquinaria que suele intervenir. Al recrear la quimiotaxis en un sistema mínimo, queremos descubrir las reglas fundamentales que hacen posible este movimiento».

Y esas reglas, ahora, están un poco más claras.

Cómo hacer más con menos

La célula mínima desarrollada por el equipo del IBEC y sus colaboradores representa, sin duda alguna, un hito científico. Es una prueba de que el movimiento celular dirigido no requiere la sofisticación que la evolución ha añadido con el tiempo, sino que puede surgir de interacciones químicas fundamentales.

La idea de que una burbuja de lípidos, una enzima y un poro puedan coordinarse para desplazarse hacia un nutriente nos recuerda que la vida artificial también puede moverse, reaccionar y adaptarse con herramientas mínimas.

En palabras de Battaglia, «lo que antes parecía un embrollo, ahora pasa a ser química, pura y elegante, haciendo más con menos».▪️

• Información facilitada por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña

• Fuente: Bárbara Borges-Fernandes et al. The minimal chemotactic cell. Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx9364