Автор AZoNano 29 октября 2020 г.

Исследователи из Базельского университета разработали точно управляемую систему для имитации каскадов биохимических реакций в клетках.

Используя микрожидкостную технологию, они производят миниатюрные полимерные реакционные контейнеры с желаемыми свойствами. Эта «клетка на чипе» полезна не только для изучения процессов в клетках, но и для разработки новых синтетических путей для химических применений или для биологических активных веществ в медицине.

Чтобы выжить, расти и делиться, клетки полагаются на множество различных ферментов, которые катализируют множество последовательных реакций. Учитывая сложность процессов в живых клетках, невозможно определить, когда конкретные ферменты присутствуют, в каких концентрациях и каковы их оптимальные пропорции относительно друг друга. Вместо этого исследователи используют синтетические системы меньшего размера в качестве моделей для изучения этих процессов. Эти синтетические системы имитируют разделение живых клеток на отдельные части.

Близкое сходство с естественными клетками

Теперь команда, возглавляемая профессорами Корнелией Паливан и Вольфгангом Мейером с химического факультета Базельского университета, разработала новую стратегию производства этих синтетических систем. В статье в журнале Advanced Materials исследователи описывают, как они создают различные синтетические миниатюрные реакционные контейнеры, известные как везикулы, которые, взятые в целом, служат моделями клетки.

«В отличие от прошлого, это не основано на самосборке пузырьков», объясняет Вольфганг Майер. «Скорее, мы разработали эффективную микрожидкостную технологию, чтобы производить везикулы, нагруженные ферментами, контролируемым образом». Новый метод позволяет исследователям настраивать размер и состав различных везикул так, чтобы различные биохимические реакции могут происходить внутри них, не влияя друг на друга – как в разных отделах клетки.

Чтобы произвести желаемые везикулы, ученый вводит различные компоненты в крошечные каналы на кристалле из силиконового стекла. На этом чипе все микроканалы объединяются на стыке. Если условия настроены правильно, при таком расположении образуется водная эмульсия из капель полимера одинакового размера, которые образуются в точке пересечения.

Исследователи использовали недавно разработанную микрофлюидную платформу для получения трех различных типов везикул с одинаковым размером, но с разными грузами: β-галактозидаза (красный пузырь), глюкозооксидаза (зеленый пузырь) или пероксидаза хрена (синий). Водорастворимые ферменты постепенно превращают исходный продукт в конечный окрашенный продукт резоруфин, который, как и все промежуточные соединения, попадает в окружающий раствор через селективные каналы в мембранах везикул.

Точное управление

Полимерная мембрана везикул действует как внешняя оболочка и включает водный раствор. Во время производства везикулы наполняются различными комбинациями ферментов. Как объясняет первый автор, д-р Елена С. душ Сантуш, этот метод дает некоторые ключевые преимущества: «Недавно разработанный метод позволяет нам производить везикулы индивидуального изготовления и точно регулировать желаемую комбинацию ферментов внутри».

Белки, включенные в мембрану, действуют как поры и обеспечивают селективный транспорт соединений в полимерные везикулы и из них. Размеры пор рассчитаны на то, чтобы пропускать только определенные молекулы или ионы, тем самым позволяя отдельно изучать клеточные процессы, которые в природе протекают рядом друг с другом.

«Мы смогли показать, что новая система предлагает отличную основу для изучения процессов ферментативных реакций», объясняет Корнелия Паливан. «Эти процессы могут быть оптимизированы для увеличения производства желаемого конечного продукта. Более того, технология позволяет нам исследовать конкретные механизмы, которые играют роль в метаболических заболеваниях или влияют на реакцию некоторых лекарств в организме»

Работа была поддержана Швейцарским институтом нанонауки при Базельском университете, Швейцарским национальным научным фондом и Национальным центром компетенции в исследованиях «MSE – Разработка молекулярных систем».

Исходная публикация

E. К. душ Сантуш, А. Беллуати, Д. Некула, Д. Шеррер, К. Э. Мейер, Р. П. Вер, К. Г. Паливан, В. Мейер
Комбинаторная стратегия для изучения биохимических путей в компартменте размером с матрицу двойной эмульсии
Дополнительные материалы (2020), DOI: 10.1002 / adma.202004804

Источник: https://nanoscience.ch/en/