Forskere foreslår at bruge pindsvin-lignende partikler til at fremskynde cellebiokemiske reaktioner

Forskning fra ITMO foreslår at bruge urchin-lignende partikler styret af et magnetfelt til at fremskynde kemiske reaktioner i celler. Denne nye teknologi vil give dem mulighed for at øge cellemembranpermeabiliteten og samtidig bevare cellens oprindelige struktur. Dette kan forenkle stoflevering og øge hastigheden af ​​biokatalyse. Forskningen blev offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters .

At forvandle et stof til et andet, det er nødvendigt at infiltrere et biologisk system, som en celle, med et substrat - et kemisk stof, der kan udløse en række reaktioner. Som følge af disse reaktioner, der skabes et produkt, der kan bruges i efterfølgende kemiske transformationer både inde i selve cellerne og til fremstilling af medicinske behandlinger eller fødevarer. Den største vanskelighed med at kontrollere cellebiokatalytiske processer er det faktum, at cellemembraner begrænser diffusionshastigheden - eller substratets gennemtrængning af celler.

"Vi kan øge cellemembranpermeabiliteten for at overvinde denne barriere. Ofte, forskellige kemiske stoffer bruges til dette formål. Imidlertid, de kan være ret giftige og er svære at kontrollere, mens andre metoder kan forårsage permanent skade på cellens struktur, " forklarer Daniil Kladko, en kandidatstuderende på SCAMT og en af ​​forfatterne til papiret.

ITMO-forskere brugte den biokemiske reaktion af ethanolfermentering til at demonstrere, at membranpermeabiliteten kan øges - og dermed biokatalyse kan kontrolleres - ved at bruge specielle pindsvin-lignende partikler rettet af et magnetfelt. Disse partikler har fået deres navn for de skarpe pigge på deres overflade, der får dem til at ligne søpindsvin. Bagegær blev valgt som modelorganisme for forsøget.

For at omdanne substratet (glukose) til alkohol ved hjælp af gær, forskerne tilføjede først de pindsvin-lignende partikler til blandingen, så inkuberede det, og placerede den i en magnetisk opstilling, der kan udsætte den for et vekslende magnetfelt med en specificeret frekvens, intensitet, og retning. Forskerne var i stand til at gennemtrænge membranen og levere substratet inde i cellen uden at forstyrre dens struktur eller vitale kapaciteter. I øvrigt, viste det sig, at processen kan styres ved at tænde og slukke for magnetfeltet.

"Et roterende magnetfelt får gæren og de pindsvin-lignende partikler til at rotere rundt om sin akse, hvilket resulterer i, at 'pindsvinen' interagerer med membranen:Den omdanner magnetfeltets energi til mekanisk belastning på membranen. Dermed, når det er på membranen, det skaber et kraftmoment, tillader membranen at åbne. Tiden og frekvensen spiller en vigtig rolle i dette eksperiment. Vi har brug for feltet til at arbejde og 'trække' på membranen i nogen tid, fordi det stadig er en betydelig tæt struktur på trods af dens tilsyneladende skrøbelighed, " siger Daniil Kladko.

Den resulterende teknologi kan anvendes på forskellige områder:F.eks. fødevareproduktion, medicinalindustrien, og bioteknologi. For eksempel, når man arbejder med gær, accelererende biokatalyse med et magnetfelt ville gøre det muligt at skære ned på priserne på gærproduktion og dermed øge antallet af gærbaserede produkter på markedet. Det samme gælder lægemidler baseret på biosyntese, da den nye metode vil øge deres produktionsmængder og sænke deres markedspris.