Polymeerchemici en materiaalwetenschappers hebben enkele opmerkelijke vorderingen gemaakt die de natuur nabootsen, maar een van de meest voorkomende en praktische kenmerken van cellen is tot nu toe buiten bereik gebleven:intracellulaire compartimentering. Het verwijst naar de manier waarop veel verschillende organellen, blaasjes en andere "water-in-water" zachte structuren in de cel, bevatten en isoleren van chemische reacties en processen. Ook kunnen reactieproducten selectief worden gedeeld met eindgebruikers in de cel.

Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Thomas Russell van de University of Massachusetts Amherst en het Lawrence Berkeley National Laboratory, met postdoctoraal onderzoeker Ganhua Xie en anderen, beschrijven in een nieuw artikel hoe ze profiteren van verschillen in elektrische lading om een ​​"volledig waterig, " water-in-water constructie die compartimentering in een synthetisch systeem bereikt.

"Onze resultaten wijzen op nieuwe mogelijkheden voor het manipuleren en verbeteren van continue scheiding en gecompartimenteerde reacties. Ik heb het gevoel dat we een strategie hebben ontwikkeld om het gedrag van levende cellen na te bootsen, Russell merkt op. "Mensen hebben eerder geprobeerd synthetische systemen te bouwen die de natuur nabootsen en hebben het niet gedaan, maar we hebben. Ik denk dat dit de eerste keer is dat dit is aangetoond." Details verschijnen in de huidige uitgave van Chemo .

Evan Runnerström, programmamanager materiaalontwerp bij het Army Research Office, die dit werk ondersteunde met het Amerikaanse ministerie van Energie, zegt, "Dit vermogen om een ​​stabiele structuur en chemische functionaliteit te programmeren in volledig waterige systemen die milieuvriendelijk en biocompatibel zijn, zal mogelijk ongekende toekomstige mogelijkheden voor het leger bieden. De kennis die door dit project wordt gegenereerd, kan van toepassing zijn op toekomstige technologieën voor volledig vloeibare batterijen , waterzuivering of wondbehandeling en medicijnafgifte in het veld."

Russell en collega's zijn al enkele jaren geïnteresseerd in vloeistofinterfaces en hebben eerder veel olie- en waterexperimenten uitgevoerd om resultaten onder verschillende omstandigheden te observeren. "Dit bracht ons ertoe te gaan kijken naar water-in-water vloeistofinterfaces, " merkt hij op.

Voor dit werk, Xie gebruikte twee waterige polymeeroplossingen, een van polyethyleenglycol (PEG) en water, de andere dextran en water, met verschillende elektrische ladingen; ze kunnen worden gecombineerd, maar niet mengen. Het is een "klassiek voorbeeld" van coacervatie, ze suggereren - de oplossing ondergaat vloeistof-vloeistof fasescheiding en vormt twee afzonderlijke domeinen, zoals de niet-mengende was-en-water in een lavalamp.

Volgende, Xie gebruikte een naald om een ​​hogesnelheidsstraal van de dextran-plus-wateroplossing in de PEG-plus-wateroplossing te sturen, iets wat Russell '3D-printen water-in-water' noemt. Deze operatie creëert een coacervaat-membraan-gestabiliseerde waterige of met water gevulde tubulus waar de weglengte van de buis kilometers lang kan zijn, hij zegt. Deze 3D water-op-water print vormt een vliezige laag van een coacervaat die de twee oplossingen scheidt.

Een ander kenmerk van de zo gevormde waterbuis is dat elektrische lading regelt of en in welke richting een materiaal door het coacervaatmembraan kan gaan, leggen de auteurs uit. Een negatief geladen kleurstof of ander molecuul kan alleen door een negatief geladen wand van het asymmetrische membraan gaan, en evenzo voor positief geladen materialen. Xie zegt, "Het vormt effectief een diode, een eenzijdige poort. We kunnen een reactie doen in deze buis of zak die een positief geladen molecuul genereert dat alleen via het coacervaat in de positieve fase kan diffunderen."

Hij voegt toe, "Als we het systeem goed ontwerpen, we kunnen dingen gemakkelijk scheiden door te betalen, zodat het kan worden gebruikt voor scheidingsmedia in volledig waterige gecompartimenteerde reactiesystemen. We kunnen ook één reactie triggeren die een gecoördineerde reactiecascade mogelijk maakt, net zoals het in ons lichaam gebeurt."

Xie legt uit dat ze met de 3D-water-op-waterprint kunnen bepalen waar ze deze domeinen neerzetten. "We kunnen meerlagige structuren bouwen met positieve/negatieve/positieve lagen. We kunnen de zakvormige structuren gebruiken als reactiekamers, "zegt hij. Voordelen van het scheiden van functies en materialen in cellen door compartimentering zijn onder meer dat veel processen tegelijk kunnen plaatsvinden, veel verschillende chemische omgevingen om naast elkaar te bestaan ​​en anderszins incompatibele componenten om naast elkaar te werken.

Onder andere tests en experimenten, de onderzoekers rapporteren hoe ze een volledig waterig buisvormig systeem hebben ontworpen en aan elk uiteinde naalden en spuitpompen hebben bevestigd om water door de hele structuur te laten pompen zonder lekkage, het creëren van een doorstroom gecoördineerd reactiesysteem.

"Toen we het eenmaal hadden gedaan, we hebben gekeken naar de biologische nabootsing", zegt Russell. "Er zijn veel pogingen gedaan om biologische systemen na te bootsen, en een bioloog zou bezwaar kunnen maken en zeggen dat dit te simpel is. Maar ik denk wel dat, ook al gaat het om eenvoudige materialen, het werkt. Het komt heel dicht bij het vaatstelsel, en het bootst elke plaats na waar chemicaliën door een membraan stromen. Zit het in het lichaam? Nee, maar het bootst wel een echt stofwisselingsproces na, een compartimentele reactie."