Syntetiske dråber skaber røre i ursuppen:Kemotaksi-forskning besvarer spørgsmål om biologisk bevægelse
Vores kroppe består af billioner af forskellige celler, der hver opfylder deres egen unikke funktion for at holde os i live. Hvordan bevæger celler sig rundt inde i disse ekstremt komplicerede systemer? Hvordan ved de, hvor de skal hen? Og hvordan blev de så komplicerede til at begynde med? Enkle, men dybtgående spørgsmål som disse er kernen i nysgerrighedsdrevet grundforskning, som fokuserer på de grundlæggende principper for naturfænomener. Et vigtigt eksempel er den proces, hvorved celler eller organismer bevæger sig som reaktion på kemiske signaler i deres miljø, også kendt som kemotaksi.
En gruppe forskere fra tre forskellige forskningsenheder ved Okinawa Institut for Videnskab og Teknologi (OIST) kom sammen for at besvare grundlæggende spørgsmål om kemotaksi ved at skabe syntetiske dråber for at efterligne fænomenerne i laboratoriet, hvilket giver dem mulighed for præcist at isolere, kontrollere og studere fænomener.
Deres resultater, som hjælper med at besvare spørgsmål om principperne for bevægelse i simple biologiske systemer, er blevet offentliggjort i Journal of The American Chemical Society .
"Vi har vist, at det er muligt at få proteindråber til at migrere gennem simple kemiske interaktioner," siger Alessandro Bevilacqua, Ph.D. studerende i Protein Engineering and Evolution Unit og medførsteforfatter på papiret. Professor Paola Laurino, leder af enheden og seniorforfatter. Laurino tilføjer, at de "har skabt et simpelt system, der efterligner et meget komplekst fænomen, og som kan moduleres gennem enzymatisk aktivitet."
Spændinger på overfladen
Selvom processen med at skabe dråber måske ikke lyder som den mest komplicerede opgave, er det bestemt at efterligne biologiske processer så tæt på virkeligheden som muligt, mens du holder nøjagtig kontrol over alle variablerne. De syntetiske, membranløse dråber indeholder en meget høj koncentration af det bovine protein BSA for at efterligne de overfyldte forhold inde i cellerne, såvel som urease, et enzym, der katalyserer nedbrydningen af urinstof til ammoniak.
Ammoniak er basisk, hvilket betyder, at den har en høj pH-værdi. Da enzymet gradvist katalyserer produktionen af ammoniak, diffunderer det ind i opløsningen og skaber en 'halo' med højere pH omkring dråben, hvilket igen gør det muligt for dråber at detektere andre dråber og migrere mod hinanden.
Forskerne fandt ud af, at nøglen til at forstå dråbernes kemotakse er pH-gradienten, da den letter Marangoni-effekten, som beskriver, hvordan molekyler flyder fra områder med høj overfladespænding til lav.
Overfladespænding er det mål for energi, der kræves for at holde molekyler på overfladen sammen, som lim. Når pH stiger, svækkes denne lim, hvilket får molekylerne til at sprede sig og sænker overfladespændingen, hvilket igen gør det lettere for molekyler at bevæge sig. Du kan se dette ved at tilføje sæbe, som har en høj pH-værdi, til den ene ende af et badekar med stillestående vand:vandet vil flyde mod slutningen med sæbe på grund af Marangoni-effekten.
Når to syntetiske dråber er tæt nok på, interagerer deres glorier og hæver pH i miljøet mellem dem, hvilket får dem til at bevæge sig sammen. Fordi overfladespændingen stadig er stærk på de modsatte ender af dråberne, holder de deres form, indtil overfladerne rører hinanden, og de sammenhængende kræfter i dråberne overvinder overfladespændingen, hvilket får dem til at smelte sammen. Da større dråber både producerer mere ammoniak og har et større overfladeareal (hvilket mindsker overfladespændingen), tiltrækker de små dråber, der er mindre end dem selv.
Samarbejde om gammel suppe og fremtidig bioteknologi
Takket være udviklingen af disse dråber har forskerne gjort fremskridt med at besvare grundlæggende spørgsmål om biologisk bevægelse – og derved har de fået indsigt i den rettede bevægelse af de tidligste livsformer i ursuppen for milliarder af år siden, som f.eks. samt et forspring til at skabe nye biologisk inspirerede materialer.
Vores viden om livet, som det så ud for milliarder af år siden, er i bedste fald sløret. En fremtrædende hypotese er, at liv opstod i havene, efterhånden som organiske molekyler gradvist samledes og blev mere sofistikerede i en 'ursuppe' – og dette kunne have været lettet af kemotaksi gennem Marangoni-effekten.
"Det ville have været gavnligt for dråber at have denne migrationsmekanisme i det hypotetiske livsoprindelsesscenarie," som professor Laurino udtrykker det. Denne migration kunne have udløst dannelsen af primitive metaboliske veje, hvorved enzymer katalyserer en række stoffer, der i sidste ende producerer en kemisk gradient, der driver dråberne sammen, hvilket fører til større og mere sofistikerede samfund.
Forskningen peger også frem i tiden og giver kundeemner til ny teknologi. "Et eksempel er skabelsen af responsive materialer inspireret af biologi," foreslår Alessandro Bevilacqua. "Vi har vist, hvordan simple dråber kan migrere takket være en kemisk gradient. En fremtidig anvendelse af dette kunne være teknologier, der registrerer eller reagerer på kemiske gradienter, f.eks. i mikrorobotter eller lægemiddellevering."
Projektet begyndte under coronavirus-pandemien, da et medlem af Protein Engineering and Evolution Unit var i karantæne med et medlem af Complex Fluids and Flows Unit. De to begyndte at snakke, og selvom de to enheder er fra to forskellige områder - henholdsvis biokemi og mekanik - udviklede projektet sig sideløbende. Til sidst sluttede medlemmer fra Micro/Bio/Nanofluidics Unit sig til projektet med sofistikerede målinger af dråbernes overfladespænding.
Det unikke ikke-disciplinære forskningsmiljø på OIST katalyserede samarbejdet. Som professor Laurino udtrykker det:"Dette projekt kunne aldrig have eksisteret, hvis vi var adskilt af afdelinger. Det har ikke været et nemt samarbejde, fordi vi kommunikerer vores felt på meget forskellige måder - men at være fysisk tæt på gjorde det betydeligt nemmere."
Alessandro Bevilacqua tilføjer, "Kaffefaktoren har været meget vigtig. At kunne sidde ned med andre enhedsmedlemmer gjorde processen meget hurtigere og mere produktiv." Deres samarbejde stopper ikke her – dette papir er snarere begyndelsen på et frugtbart partnerskab mellem de tre enheder.
"Vi ser en masse synergi i vores arbejde, og vi arbejder effektivt og effektivt sammen. Jeg kan ikke se en grund til, at vi skulle stoppe," siger professor Laurino. Det er takket være den kombinerede indsats fra de tre enheder, at vi nu ved mere om livets små bevægelser i den mindste, tidligste og muligvis fremtidige skala.
Flere oplysninger: Mirco Dindo et al., Chemotactic Interactions Drive Migration of Membraneless Active Droplets, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.4c02823
Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society
Leveret af Okinawa Institute of Science and Technology
Varme artikler
-
Makromolekylær orden i plastikrigetMange plastiklegetøj er lavet af polypropylen. Kredit:MIPT Et team af forskere ved Institute of Synthetic Polymer Materials of the Russian Academy of Sciences, MIPT og andre steder har bestemt, hv -
Forbedring af ydeevnen af metal-organiske rammematerialerMikrograffoto (samlet bredde ca. 1, 5 mm), der viser det nye adsorberende materiale, der blev fremstillet ved anvendelse af et poppelblad som skabelon. Kanalarkitekturen er tydeligt mærkbar. Tegninger -
Materialer, der åbner i øjeblikkets varmeSommerfuglformede ligander var nøglen til at designe et materiale, der selektivt kan absorbere og lagre forskellige gasmolekyler. Kredit:Izumi Mindy Takamiya Kyoto-universitetets forskere har desi -
En usædvanlig stabil enkeltatomskatalysatorInteraktion mellem negativt ladede ioner og positivt ladede overfladehulrum i C12A7 til effektiv stabilisering af enkelt platinatomer. Kredit: Naturkommunikation Forskere ved Tokyo Institute of T
- Hvad er asteroider lavet af? En prøve returneret til Jorden afslører solsystemets byggesten
- Jordskælv med styrke 5,7 ryster en del af det østlige Indonesien
- Den kraftige meteor, som ingen så (undtagen satellitter)
- Polystyren mikroplastik har vist sig at øge invasionen af eksotiske nedsænkede makrofytter
- Et nyt mineral fra solsystemets ældste faste stoffer i meteoritter
- Fysikere går sammen for at løse problemet med protonradius