Minitraktorbjælker hjælper med at arrangere kunstige celler i vævsstrukturer

Forskere har brugt lasere til at forbinde, arrangere og flette kunstige celler, baner vejen for netværk af kunstige celler, der fungerer som væv.

Holdet siger, at ved at ændre kunstige cellemembraner kan de nu få cellerne til at klæbe sammen som 'klæbesten' - så de kan arrangeres i helt nye strukturer.

Biologiske celler kan udføre komplekse funktioner, men er svære at kontrollere kontrollerbart.

Kunstige celler, imidlertid, kan i princippet laves på bestilling. Nu, forskere fra Imperial College London og Loughborough University har demonstreret et nyt niveau af kompleksitet med kunstige celler ved at arrangere dem i grundlæggende vævsstrukturer med forskellige typer tilslutning.

Disse strukturer kan bruges til at udføre funktioner som at starte kemiske reaktioner eller flytte kemikalier rundt i netværk af kunstige og biologiske celler. Dette kan være nyttigt til at udføre kemiske reaktioner i ultra-små mængder, ved at studere de mekanismer, hvorigennem celler kommunikerer med hinanden, og i udviklingen af ​​en ny generation af smarte biomaterialer.

Celler er biologiens grundlæggende enheder, som er i stand til at arbejde sammen som et kollektiv, når de er arrangeret i væv. For at gøre dette, celler skal være forbundet og være i stand til at udveksle materialer med hinanden. Holdet var i stand til at forbinde kunstige celler til en række nye arkitekturer, hvis resultater offentliggøres i dag i Naturkommunikation .

De kunstige celler har et membranlignende lag som deres skal, som forskerne konstruerede til at 'holde' til hinanden. For at få cellerne til at komme tæt nok på, holdet skulle først manipulere cellerne med en 'optisk pincet', der fungerer som mini 'traktorbjælker', der trækker og slipper celler i en hvilken som helst position. Når cellerne er forbundet på denne måde, kan de flyttes som én enhed.

Ledende forsker Dr. Yuval Elani, en EPSRC-forsker fra Institut for Kemi ved Imperial, sagde:"Kunstige cellemembraner preller normalt af hinanden som gummikugler. Ved at ændre biofysikken af ​​membranerne i vores celler, vi fik dem i stedet til at klæbe til hinanden som stickle mursten.

"Med dette, vi var i stand til at danne netværk af celler forbundet med 'biojunctions'. Ved at genindsætte biologiske komponenter, såsom proteiner i membranen, vi kunne få cellerne til at kommunikere og udveksle materiale med hinanden. Dette efterligner det, der ses i naturen, så det er et stort skridt fremad i at skabe biologisk-lignende kunstige cellevæv. "

Holdet var også i stand til at konstruere en 'tether' mellem to celler. Her sidder membranerne ikke sammen, men en slynge af membranmateriale forbinder dem, så de kan flyttes sammen.

Når de havde perfektioneret celle-klæbningsprocessen, holdet var i stand til at opbygge mere komplekse arrangementer. Disse omfatter linjer af celler, 2D-former som firkanter, og 3D-former som pyramider. Når cellerne sidder fast, de kan omarrangeres, og også trukket af laserstrålen som et ensemble.

Endelig, holdet var også i stand til at forbinde to celler, og få dem til at smelte sammen til en større celle. Dette blev opnået ved at belægge membranerne med guld nanopartikler. Da laserstrålen i hjertet af den 'optiske pincet'-teknologi blev koncentreret i krydset mellem de to celler, nanopartiklerne gav genlyd, bryde membranerne på det tidspunkt. Membranen reformeres derefter som en helhed.

Sammenlægning af celler på denne måde gjorde det muligt for de kemikalier, de bar, at blande sig i det nye, større celle, sætter gang i kemiske reaktioner. Dette kunne være nyttigt, for eksempel, til levering af materialer såsom lægemidler til celler, og i at ændre sammensætningen af ​​celler i realtid, få dem til at tage nye funktioner i brug.

Professor Oscar Ces, også fra Institut for Kemi på Imperial, sagde:"At forbinde kunstige celler sammen er en værdifuld teknologi i det bredere værktøjssæt, vi samler til at skabe disse biologiske systemer ved hjælp af bottom-up tilgange. Vi kan nu begynde at opskalere grundlæggende celleteknologier til større vævsskala netværk, med præcis kontrol over den slags arkitektur, vi skaber."

Forskningen er et af de første resultater fra FABRICELL, et virtuelt forskningscenter ledet af Imperial og Kings College London, der samler førende forskergrupper, der arbejder inden for kunstig cellevidenskab i London. Det består af en række laboratorier på tværs af Imperial og Kings, samt formelle og uformelle uddannelses- og forskningsmuligheder.