Materialeforskere bygger et syntetisk system med rum som rigtige celler

Polymerkemikere og materialeforskere har opnået nogle bemærkelsesværdige fremskridt, der efterligner naturen, men et af de mest almindelige og praktiske træk ved celler har hidtil været uden for rækkevidde - intracellulær opdeling. Det refererer til den måde, mange forskellige organeller, vesikler og andre "vand-i-vand" bløde strukturer i cellen, indeholde og isolere kemiske reaktioner og processer. Det lader også reaktionsprodukter selektivt deles med slutbrugere inde i cellen.

Nu er et forskerhold ledet af Thomas Russell ved University of Massachusetts Amherst og Lawrence Berkeley National Laboratory, med postdoktorforsker Ganhua Xie og andre, beskrive i et nyt papir, hvordan de drager fordel af forskelle i elektrisk ladning til at skabe en "alt vandig, "vand-i-vand-konstruktion, der opnår opdeling i et syntetisk system.

"Vores resultater peger på nye muligheder for at manipulere og forbedre kontinuerlig adskillelse og opdelt reaktioner. Jeg føler, at vi har udviklet en strategi for at efterligne adfærd fra levende celler, "Russell bemærker." Folk har før forsøgt at bygge syntetiske systemer, der efterligner naturen og ikke har gjort det, men vi har. Jeg tror, ​​det er første gang, dette er blevet demonstreret. "Detaljer fremgår af det aktuelle nummer af Chem .

Evan Runnerstrøm, programleder i materialedesign på Army Research Office, som støttede dette arbejde med det amerikanske energiministerium, siger, "Denne evne til at programmere stabil struktur og kemisk funktionalitet i vandige systemer, der er miljøvenlige og biokompatible, vil potentielt give hærens hidtil usete kapacitet. Den viden, der genereres af dette projekt, kan være anvendelig til fremtidige teknologier til alle flydende batterier , vandrensning eller sårbehandling og medicinlevering i marken. "

Russell og kolleger har været interesseret i flydende grænseflader i flere år og tidligere gennemført mange olie-og-vand-eksperimenter for at observere resultater under forskellige forhold. "Dette fik os til at begynde at se på vand-i-vand væske-grænseflader, "bemærker han.

Til dette arbejde, Xie brugte to polymer vandige opløsninger, en af ​​polyethylenglycol (PEG) og vand, den anden dextran og vand, med forskellige elektriske ladninger de kan kombineres, men blandes ikke. Det er et "klassisk eksempel" på coacervation, de foreslår-løsningen undergår væske-væske-faseadskillelse og danner to separate domæner, som ikke-blandende voks og vand i en lavalampe.

Næste, Xie brugte en nål til at sende en højhastighedsstråle af dextran-plus-vandopløsningen ind i PEG-plus-vandopløsningen, noget Russell kalder "3D-udskrivning vand-i-vand". Denne operation skaber en coacervat-membranstabiliseret vandig eller vandfyldt tubule, hvor rørlængden af ​​røret kan være kilometer lang, han siger. Denne 3D-vand-på-vand-udskrivning danner et membranholdigt lag af et coacervat, der adskiller de to opløsninger.

Et andet træk ved vandrøret, der er dannet på denne måde, er, at elektrisk ladning regulerer, om og i hvilken retning et materiale kan passere gennem coacervatmembranen, forklarer forfatterne. Et negativt ladet farvestof eller et andet molekyle kan kun passere gennem en negativt ladet væg i den asymmetriske membran, og ligeledes for positivt ladede materialer. Xie siger, "Det danner effektivt en diode, en ensidig port. Vi kan udføre en reaktion inde i dette rør eller sæk, der vil generere et positivt ladet molekyle, der kun kan diffundere ind i den positive fase gennem coacervatet. "

Han tilføjer, "Hvis vi designer systemet rigtigt, vi kan nemt skille tingene ad mod betaling, så det kan bruges til adskillelsesmedier i alle vandige, opdelte reaktionssystemer. Vi kan også udløse en reaktion, der tillader en koordineret reaktionskaskade, ligesom det sker i vores kroppe. "

Xie forklarer, at 3D-vand-på-vand-udskrivning giver dem mulighed for at lede, hvor de placerer disse domæner. "Vi kan bygge flerlagsstrukturer med positive/negative/positive lag. Vi kan bruge de sakformede som reaktionskamre, "siger han. Fordelene ved at adskille funktioner og materialer i celler ved opdeling omfatter, at mange processer kan forekomme på én gang, mange forskellige kemiske miljøer for at sameksistere og ellers inkompatible komponenter til at arbejde side om side.

Blandt andre tests og eksperimenter, forskerne rapporterer om, hvordan de designede et vandigt rørsystem og vedhæftede nåle og sprøjtepumper i hver ende for at tillade vand at pumpe gennem hele strukturen uden lækage, at skabe et gennemstrømningskoordineret reaktionssystem.

"Når vi havde gjort det, vi kiggede på den biologiske efterligning "siger Russell." Der har været mange anstrengelser for at efterligne biologiske systemer, og en biolog kan gøre indsigelse og sige, at dette er for simpelt. Men jeg tror, ​​at selvom det involverer simple materialer, det virker. Det træder meget tæt på kar, og det efterligner ethvert sted, hvor kemikalier strømmer gennem en membran. Er det i kroppen? Ingen, men det efterligner en rigtig metabolisk proces, en rumreaktion. "