Forskere udvikler kunstige celler på en chip

Forskere ved universitetet i Basel har udviklet et præcist kontrollerbart system til at efterligne biokemiske reaktionskaskader i celler. Ved hjælp af mikrofluidisk teknologi, de producerer miniature polymere reaktionsbeholdere udstyret med de ønskede egenskaber. Denne 'celle på en chip' er nyttig ikke kun til at studere processer i celler, men også til udvikling af nye syntetiske veje til kemiske anvendelser eller for biologisk aktive stoffer i medicin.

For at overleve, vokse og dele, celler er afhængige af et væld af forskellige enzymer, der katalyserer mange på hinanden følgende reaktioner. I betragtning af kompleksiteten af ​​processer i levende celler, det er umuligt at afgøre, hvornår specifikke enzymer er til stede i hvilke koncentrationer og hvad deres optimale forhold er i forhold til hinanden. I stedet, forskere bruger mindre, syntetiske systemer som modeller for at studere disse processer. Disse syntetiske systemer simulerer underopdelingen af ​​levende celler i separate rum.

Tæt lighed med naturlige celler

Nu, holdet ledet af professorerne Cornelia Palivan og Wolfgang Meier fra Institut for Kemi ved Universitetet i Basel har udviklet en ny strategi til fremstilling af disse syntetiske systemer. Skrivning i journalen Avancerede materialer , forskerne beskriver, hvordan de skaber forskellige syntetiske miniature reaktionsbeholdere, kendt som vesikler, som - taget som en helhed - tjener som modeller af en celle.

"I modsætning til tidligere, dette er ikke baseret på selvsamling af vesikler, " forklarer Wolfgang Meier. "Snarere, vi har udviklet effektiv mikrofluidisk teknologi for at producere enzymfyldte vesikler på en kontrolleret måde." Den nye metode giver forskerne mulighed for at justere størrelsen og sammensætningen af ​​de forskellige vesikler, så forskellige biokemiske reaktioner kan finde sted inde i dem uden at påvirke en en anden - som i de forskellige rum i en celle.

For at fremstille de ønskede vesikler, videnskabsmanden fodrer de forskellige komponenter ind i bittesmå kanaler på en siliciumglaschip. På denne chip, alle mikrokanalerne kommer sammen i et kryds. Hvis betingelserne er konfigureret korrekt, dette arrangement frembringer en vandig emulsion af polymerdråber af ensartet størrelse, som dannes ved skæringspunktet.

Præcis kontrol

Polymermembranen i vesiklerne fungerer som en ydre skal og omslutter en vandig opløsning. Under produktionen, vesiklerne er fyldt med forskellige kombinationer af enzymer. Som førsteforfatter Dr. Elena C. dos Santos forklarer, denne teknik giver nogle vigtige fordele:"Den nyudviklede metode giver os mulighed for at producere skræddersyede vesikler og præcist justere den ønskede kombination af enzymer indeni."

Proteiner inkorporeret i membranen fungerer som porer og tillader selektiv transport af forbindelser ind og ud af polymervesiklerne. Porestørrelserne er designet til kun at tillade passage af specifikke molekyler eller ioner, derved muliggøre den separate undersøgelse af cellulære processer, der finder sted tæt ved siden af ​​hinanden i naturen.

"Vi var i stand til at vise, at det nye system tilbyder et fremragende grundlag for at studere enzymatiske reaktionsprocesser, " forklarer Cornelia Palivan. "Disse processer kan optimeres for at øge produktionen af ​​et ønsket slutprodukt. Hvad mere er, teknologien giver os mulighed for at undersøge specifikke mekanismer, der spiller en rolle i stofskiftesygdomme, eller som påvirker reaktionen af ​​visse lægemidler i kroppen."

Arbejdet blev støttet af det schweiziske nanovidenskabsinstitut ved universitetet i Basel, Swiss National Science Foundation og det nationale center for kompetence inden for forskning "MSE—Molecular Systems Engineering."