Onderzoek van ITMO suggereert het gebruik van egelachtige deeltjes die worden bestuurd door een magnetisch veld om chemische reacties in cellen te versnellen. Met deze nieuwe technologie kunnen ze de doorlaatbaarheid van het celmembraan vergroten en tegelijkertijd de oorspronkelijke structuur van de cel behouden. Dit kan de afgifte van stoffen vereenvoudigen en de snelheid van biokatalyse verhogen. Het onderzoek is gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters .

Om de ene stof in de andere te veranderen, het is noodzakelijk om in een biologisch systeem te infiltreren, als een cel, met een substraat - een chemische stof die een reeks reacties kan lanceren. Als gevolg van deze reacties, er ontstaat een product dat kan worden gebruikt bij daaropvolgende chemische transformaties, zowel in de cellen zelf als bij het vervaardigen van medische behandelingen of voedingsproducten. De grootste moeilijkheid bij het beheersen van celbiokatalytische processen is het feit dat celmembranen de diffusiesnelheid beperken - of de penetratie van cellen door het substraat.

"We kunnen de doorlaatbaarheid van het celmembraan vergroten om deze barrière te overwinnen. Vaak hiervoor worden verschillende chemische stoffen gebruikt. Echter, die kunnen nogal giftig zijn en zijn moeilijk te controleren, terwijl andere methoden permanente schade aan de celstructuur kunnen veroorzaken, " legt Daniil Kladko uit, een masterstudent aan SCAMT en een van de auteurs van het artikel.

ITMO-onderzoekers gebruikten de biochemische reactie van ethanolfermentatie om aan te tonen dat de membraanpermeabiliteit kan worden verhoogd - en dus biokatalyse kan worden gecontroleerd - door gebruik te maken van speciale egelachtige deeltjes die worden aangestuurd door een magnetisch veld. Deze deeltjes hebben hun naam gekregen voor de scherpe punten op hun oppervlak waardoor ze op zee-egels lijken. Bakkersgist werd gekozen als modelorganisme voor het experiment.

Om het substraat (glucose) met gist in alcohol te veranderen, de onderzoekers voegden eerst de egelachtige deeltjes toe aan het mengsel, heb het dan uitgebroed, en plaatste het in een magnetische opstelling die het kan onderwerpen aan een wisselend magnetisch veld van een gespecificeerde frequentie, intensiteit, en richting. De onderzoekers waren in staat om het membraan te doordringen en het substraat in de cel af te leveren zonder de structuur of vitale capaciteiten te verstoren. Bovendien, het bleek dat het proces gestuurd kan worden door het magnetische veld aan en uit te zetten.

"Een roterend magnetisch veld laat de gist en de egelachtige deeltjes rond zijn as draaien, wat resulteert in een interactie van de 'egel' met het membraan:het zet de energie van het magnetische veld om in mechanische spanning op het membraan. Dus, als het op het membraan zit, het creëert een moment van kracht, waardoor het membraan kan openen. De tijd en frequentie spelen een belangrijke rol in dit experiment. We hebben het veld nodig om te werken en een tijdje aan het membraan te 'trekken', omdat het ondanks zijn schijnbare kwetsbaarheid nog steeds een behoorlijk dichte structuur is, ' zegt Daniil Kladko.

De resulterende technologie kan op verschillende gebieden worden toegepast:Voedselproductie, farmaceutische industrie, en biotechnologie. Bijvoorbeeld, bij het werken met gist, het versnellen van biokatalyse met een magnetisch veld zou het mogelijk maken om de prijzen van de gistproductie te verlagen en zo het aantal op gist gebaseerde producten op de markt te vergroten. Hetzelfde geldt voor geneesmiddelen op basis van biosynthese, aangezien de nieuwe methode hun productievolumes zal verhogen en hun marktprijs zal verlagen.