Nieuw onderzoek toont aan dat celgrootte en membranen een sleutelrol kunnen spelen bij het reguleren van de verdeling van moleculen in cellen. Deze ontdekking biedt een nieuwe onconventionele methode voor het manipuleren van kunstmatige cellen via hun grootte en grensvlakeigenschappen, of hun grenzen, in plaats van door moleculaire modificatie van hun chemische structuur. Dit kan meerdere industrieën helpen, van cosmetica tot farmaceutica, die onverwachte veranderingen in de eigenschappen van kunstmatige cellen in hun producten willen voorkomen, zoals bij het maken van nieuwe medicijnen zoals vaccins.

Kunstmatige cellen kunnen kleine levensredders zijn, zoals het COVID-19 mRNA-vaccin. Deze gemanipuleerde wonderen kunnen worden gemaakt om de functies van biologische cellen na te bootsen en allerlei taken uit te voeren, van het "leren" van onze eigen cellen hoe te reageren op een virus, het kweken van kunstmatige huid voor het testen van cosmetica of het maken van conserveermiddelen voor levensmiddelen.

Het creëren en manipuleren van deze cellen brengt echter veel uitdagingen met zich mee. "In de afgelopen jaren zijn kunstmatige cellen die oplossingen (of mengsels) van multicomponent-moleculen bevatten, gebruikt in cosmetische en farmaceutische producten. Hoewel dergelijke oplossingen niet in reageerbuizen werden gescheiden, scheidden ze zich soms in kunstmatige cellen, wat problematisch was voor toepassingen", legt hij uit. Universitair hoofddocent Miho Yanagisawa van de Graduate School of Arts and Sciences aan de Universiteit van Tokyo.

Deze scheiding, vloeistof-vloeistoffasescheiding (LLPS) genoemd, is naar voren gekomen als een fundamenteel mechanisme voor het reguleren van biologische activiteit in levende organismen. Het type biomoleculen dat zich afscheidt en de omstandigheden waaronder dit gebeurt, moet echter nog volledig worden begrepen. Dit laatste onderzoek gepubliceerd in ACS Materials Letters biedt het broodnodige inzicht.

"Conventioneel werden de scheidingsomstandigheden en de mate van scheiding als grootteonafhankelijk beschouwd, zolang de grootte van de container ongeveer 1 micrometer of micron (een duizendste van een millimeter) of groter was", zei Yanagisawa. Een verrassende bevinding van dit onderzoek was echter dat hoe kleiner de kunstmatige cel, hoe groter de mate van scheiding.

Het idee van celgrootte-afhankelijk gedrag werd in 2012 gesuggereerd, maar de details van dit fenomeen bleven onduidelijk. Het team van de Universiteit van Tokio voerde experimenten op meerdere schaal uit met behulp van druppeltjes van twee polymeren van verschillende grootte - korte polyethyleenglycol (PEG) en lange dextran - in mengsels die zich in een lipidemembraan bevinden om kunstmatige cellen van verschillende grootte te creëren.

"Uit dergelijke experimenten realiseerden we ons dat het membraan kleine verschillen tussen moleculen waarneemt en het voorkeursmolecuul selecteert, wat de oorsprong is van het celgrootte-afhankelijke gedrag. Dit was de belangrijkste climax van het onderzoek", legt Yanagisawa uit. "Wij geloven dat deze ontdekking een nieuwe methode biedt voor het manipuleren van materialen via de ruimtegrootte en grensvlakeigenschappen van de containers met kunstmatige cellen. Dit idee is heel anders dan de conventionele door manipulatie van moleculaire structuren."

Yanagisawa zegt:"Er zijn hoofdzakelijk twee richtingen voor de volgende stap:de ene is in de richting van een fysiek begrip en formulering van de ruimte-effecten van de celgrootte op het moleculaire gedrag; een andere is in de richting van farmaceutische en cosmetische toepassingen, waarbij de kunstmatige cellen worden gebruikt, rekening houdend met de cel- grootte-effect." + Verder verkennen

Nieuwe kankerbehandelingen kunnen worden getest in kunstmatige cellen op minuscule chips ter grootte van een postzegel