Zombie replika celler kan udkonkurrere levende celler som katalysatorer og ledere

(Phys.org) - "Zombie" pattedyrceller, der kan fungere bedre, efter de dør, er blevet skabt af forskere ved Sandia National Laboratories og University of New Mexico (UNM).

Den enkle teknik belægger en celle med en silicaopløsning for at danne en næsten perfekt kopi af dens struktur. Processen kan forenkle en lang række kommercielle fremstillingsprocesser fra nano- til makroskala.

Arbejdet, rapporteret i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), bruger de nanoskopiske organeller og andre bittesmå komponenter i pattedyrsceller som skrøbelige skabeloner, hvorpå man kan afsætte silica. Forskerne opvarmer derefter cellen for at brænde dens protein af. De resulterende hærdede silicastrukturer er tro mod de ydre og indre træk i den tidligere levende celle, kan overleve større tryk og temperaturer end kød nogensinde kunne, og kan udføre nogle funktioner bedre, end da de var i live, sagde lederforsker Bryan Kaehr, en Sandia-materialeforsker.

"Det er meget udfordrende for forskere at bygge strukturer på nanometerskalaen, " sagde Kaehr. "Vi kan lave partikler og ledninger, men 3-D vilkårlige strukturer er ikke blevet opnået endnu. Med denne teknik, vi behøver ikke bygge disse strukturer – naturen gør det for os. Vi skal kun finde celler, der besidder det maskineri, vi ønsker, og kopiere det ved hjælp af vores teknik. Og, ved hjælp af kemi eller overflademønster, vi kan programmere en gruppe celler til at danne den form, der synes ønskelig."

UNM professor og Sandia Fellow Jeff Brinker tilføjede, "Processen replikerer trofast funktioner fra nanoskala til makroskala i en robust, tredimensionelt stabil form, der modstår krympning selv ved opvarmning til over 500 grader Celsius [932 grader Fahrenheit]. Ildfastheden af ​​disse sarte strukturer er fantastisk."

Den usædvanlige, men enkle procedure kan tjene som model til at skabe hårdere klasser af nanoskopiske produkter.

Fordi en celle er befolket af en lang række proteiner, lipider og stilladser, dens interiør er klargjort til at modellere katalysatorer, tragte, absorbenter og andre nyttige nanomaskiner, sagde Kaehr, en tidligere Sandia Truman Fellow.

Katalysatorer, der udvikler sig i celler, er enzymer, der skal bevare en bestemt form for at deres kemi kan fungere. Da struktur er vigtig for at fungere, at stabilisere en katalysator i den form, den udviklede sig, er vigtig, sagde Kaehr. Varmehærdet silica ville stabilisere og beskytte det stadig tilstedeværende protein, mens det gjorde sit arbejde.

UNM post-doc-studerende Jason Townson sagde, at den mest umiddelbare anvendelse til silicificering kan være som en enkel måde at bevare strukturen af ​​organiske materialer til billeddannelse.

"Tidligere, til intern konservering og efterfølgende billeddannelse, en celle ville være fikseret i formaldehyd eller et andet konserveringsmiddel. Men mange af disse metoder er arbejdskrævende, " sagde Townson. "Denne metode er enkel. De bevarede celler bliver aldrig sjusket i forfald. Og da vi åbnede den resulterende struktur, vi blev blæst omkuld over hvor godt cellen var bevaret, ned til den mindre rille i cellens DNA."

Opvarmning af cellen til endnu højere temperaturer (større end 400 grader C) fordamper cellens organiske materiale – dens protein – og efterlader silicaen i en slags tredimensionel Madame Tussauds voksreplika af et tidligere levende væsen. Forskellen er, at i stedet for at modellere ansigtet, sige, af en berømt kriminel, de hærdede silica-baserede celler viser interne mineraliserede strukturer med indviklede funktioner, der spænder fra nano- til millimeter-længde skalaer.

Byggeprocessen er forholdsvis enkel:Tag nogle fritsvævende pattedyrceller, kom dem i en petriskål og tilsæt kiselsyre.

Gennem virkningen af ​​methanol, et biprodukt af syren, cellens lipidlag – de beskyttende hylstre, der holder cellen intakt – blødgøres og gøres porøse nok til, at silicaen kan flyde ind ved omtrent samme temperatur som menneskekroppen.

Kiselsyren, af årsager, der stadig er delvist uklare, kommer ind uden tilstopning og balsamerer i virkeligheden alle organeller i cellen fra mikro- til nanometerskalaen.

Hvis cellen ikke er opvarmet, silicaen danner en slags permeabel rustning omkring den levende celles protein. Dette kan understøtte det nok til at fungere som en katalysator ved temperaturer og tryk, som naturen ikke har drømt om.

"Når vi har brugt silica til at stabilisere den cellulære struktur, den kan stadig udføre reaktioner og, vigtigere, at reaktionen er stabil nok til at virke ved høje temperaturer, " sagde Kaehr. "Metoden er også et middel til at tage en blød, potentielt værdifuldt biologisk materiale og konverter det til et fossil, der vil blive på vores hylder på ubestemt tid."

Normalt, at bevare noget økologisk betyder at fryse det, som er energikrævende, han sagde. I stedet, "Vi laver hurtig fossilisering:konverterer hurtigt en protoplasmatisk celle til en hård struktur, der vil bestå tidens prøve."

Eksperimenter viste, at cellen kan bruges som en omvendt form, hvorfra ved 900 grader C, en porøs karboniseret struktur er resultatet af opvarmning af celleprotein i et vakuum. Med andre ord, på samme måde som afbrænding af træ i luften efterlader en rest af strukturløs sod, zombieopvarmningsmetoden resulterer i en kulstofstruktur af høj kvalitet. Efterfølgende opløsning af den underliggende silicabærer reducerede cellens elektriske modstand med ca. 20 gange. Sådanne materialer ville have betydelig nytte i brændselsceller, dekontaminerings- og sensorteknologier.

At sådanne ekstraordinære resultater kan opnås ved at silicificere celler indikerer, at mange bløde cellulære arkitekturer kunne være "råvare til de fleste materialebehandlingsprocedurer, herunder dem, der kræver høje temperaturer og tryk, " ifølge teknisk papir.

Andre porøse materialestrukturer, afhængig af titanium i stedet for silica, er blevet dannet ved hjælp af den organiske skabelonteknik. Andre metaloxider, sagde Kaehr, er en mulighed. Disse ville have mere komplekse strukturelle funktioner eller kunne tjene som katalysatorer.

Arbejdet følger indsatsen fra en række videnskabelige grupper, inklusive Kaehr's, der har bygget gel-lignende strukturer, copied them with silica and then burned off the gel to create, træde i kræft, large sponges.

"Now we can change the biological shape and calcify (heat) it, so for the first time we get new irregular structures, " Kaehr said.

Opsummering, Kaehr offers what may be the first distinction in scientific literature between a mummy cell and a zombie cell:"King Tut was mummified, " han sagde, "to approximately resemble his living self, but the process took place without mineralization [a process of fossilization]. Our zombie cells bridge chemistry and biology to create forms that not only near-perfectly resemble their past selves but can do future work."