Wetenschap
Synthetische druppeltjes zorgen voor opschudding in de oersoep:Chemotaxis-onderzoek beantwoordt vragen over biologische beweging
Ons lichaam bestaat uit biljoenen verschillende cellen, die elk hun eigen unieke functie vervullen om ons in leven te houden. Hoe bewegen cellen zich binnen deze uiterst gecompliceerde systemen? Hoe weten ze waar ze heen moeten? En hoe zijn ze in het begin zo ingewikkeld geworden? Simpele maar diepgaande vragen als deze vormen de kern van nieuwsgierigheidsgedreven fundamenteel onderzoek, dat zich richt op de fundamentele principes van natuurlijke fenomenen. Een belangrijk voorbeeld is het proces waarbij cellen of organismen bewegen als reactie op chemische signalen in hun omgeving, ook wel chemotaxis genoemd.
Een groep onderzoekers van drie verschillende onderzoekseenheden van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) kwam samen om basisvragen over chemotaxis te beantwoorden door synthetische druppeltjes te creëren om de verschijnselen in het laboratorium na te bootsen, waardoor ze de stoffen nauwkeurig kunnen isoleren, controleren en bestuderen. verschijnselen.
Hun resultaten, die helpen bij het beantwoorden van vragen over de principes van beweging in eenvoudige biologische systemen, zijn gepubliceerd in het Journal of The American Chemical Society .
"We hebben aangetoond dat het mogelijk is om eiwitdruppeltjes te laten migreren door middel van eenvoudige chemische interacties", zegt Alessandro Bevilacqua, Ph.D. student in de Protein Engineering and Evolution Unit en co-eerste auteur op het papier. Professor Paola Laurino, hoofd van de eenheid en senior auteur. Laurino voegt eraan toe dat ze "een eenvoudig systeem hebben gecreëerd dat een zeer complex fenomeen nabootst, en dat kan worden gemoduleerd door middel van enzymatische activiteit."
Spanningen aan de oppervlakte
Hoewel het proces van het maken van druppeltjes misschien niet als de meest ingewikkelde taak klinkt, is het nabootsen van biologische processen zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid, terwijl de nauwkeurige controle over alle variabelen behouden blijft, dat zeker wel. De synthetische, membraanloze druppeltjes bevatten een zeer hoge concentratie van het rundereiwit BSA om de drukke omstandigheden in de cellen na te bootsen, evenals urease, een enzym dat de afbraak van ureum in ammoniak katalyseert.
Ammoniak is basisch, wat betekent dat het een hoge pH-waarde heeft. Terwijl het enzym geleidelijk de productie van ammoniak katalyseert, diffundeert het in de oplossing, waardoor er rond de druppel een 'halo' met een hogere pH ontstaat, waardoor druppels andere druppels kunnen detecteren en naar elkaar kunnen migreren.
De onderzoekers ontdekten dat de sleutel tot het begrijpen van de chemotaxis van de druppels de pH-gradiënt is, omdat deze het Marangoni-effect faciliteert, dat beschrijft hoe moleculen van gebieden met een hoge oppervlaktespanning naar een lage oppervlaktespanning stromen.
Oppervlaktespanning is de maatstaf voor de energie die nodig is om moleculen aan het oppervlak bij elkaar te houden, zoals lijm. Wanneer de pH stijgt, verzwakt deze lijm, waardoor moleculen zich verspreiden en de oppervlaktespanning afneemt, waardoor moleculen gemakkelijker kunnen bewegen. Je kunt dit zien door zeep, die een hoge pH heeft, toe te voegen aan het ene uiteinde van een badkuip met stilstaand water:het water zal met zeep naar het uiteinde toe stromen vanwege het Marangoni-effect.
Wanneer twee synthetische druppeltjes dichtbij genoeg zijn, interageren hun halo's, waardoor de pH in de omgeving ertussen stijgt, waardoor ze naar elkaar toe bewegen. Omdat de oppervlaktespanning aan de tegenoverliggende uiteinden van de druppels nog steeds sterk is, behouden ze hun vorm totdat de oppervlakken elkaar raken, en de cohesiekrachten in de druppels overwinnen de oppervlaktespanning, waardoor ze samensmelten. Omdat grotere druppels zowel meer ammoniak produceren als een groter oppervlak hebben (waardoor de oppervlaktespanning afneemt), trekken ze druppels aan die kleiner zijn dan zijzelf.
Samenwerken aan eeuwenoude soep en toekomstige biotechnologie
Dankzij de ontwikkeling van deze druppeltjes hebben de onderzoekers vooruitgang geboekt bij het beantwoorden van fundamentele vragen over biologische beweging – en daarmee hebben ze inzicht gekregen in de gerichte beweging van de vroegste levensvormen in de oersoep miljarden jaren geleden, zoals evenals een voorsprong bij het creëren van nieuwe biologisch geïnspireerde materialen.
Onze kennis van het leven zoals het er miljarden jaren geleden uitzag, is op zijn best vaag. Een prominente hypothese is dat het leven zijn oorsprong vond in de oceanen, toen organische moleculen zich geleidelijk verzamelden en geavanceerder werden in een 'oersoep' - en dit had kunnen worden vergemakkelijkt door chemotaxis via het Marangoni-effect.
"Het zou gunstig zijn geweest voor druppeltjes om dit migratiemechanisme te hebben in het hypothetische oorsprongsscenario van het leven", zoals professor Laurino het stelt. Deze migratie zou de vorming van primitieve metabolische routes kunnen hebben veroorzaakt, waarbij enzymen een verscheidenheid aan stoffen katalyseren die uiteindelijk een chemische gradiënt produceren die de druppeltjes samendrijft, wat leidt tot grotere en meer geavanceerde gemeenschappen.
Het onderzoek wijst ook vooruit in de tijd en levert aanknopingspunten voor nieuwe technologie. "Een voorbeeld is de creatie van responsieve materialen geïnspireerd door de biologie", zegt Alessandro Bevilacqua. "We hebben laten zien hoe eenvoudige druppeltjes kunnen migreren dankzij een chemische gradiënt. Een toekomstige toepassing hiervan zouden technologieën kunnen zijn die chemische gradiënten waarnemen of erop reageren, bijvoorbeeld in microrobotica of medicijnafgifte."
Het project begon tijdens de coronaviruspandemie, toen een lid van de Protein Engineering and Evolution Unit in quarantaine zat met een lid van de Complex Fluids and Flows Unit. De twee begonnen te praten, en hoewel de twee eenheden uit twee verschillende vakgebieden komen – respectievelijk biochemie en mechanica – evolueerde het project tegelijkertijd. Uiteindelijk sloten leden van de Micro/Bio/Nanofluidics Unit zich aan bij het project met geavanceerde metingen van de oppervlaktespanning van de druppels.
De unieke niet-disciplinaire onderzoeksomgeving bij OIST heeft de samenwerking gekatalyseerd. Zoals professor Laurino het verwoordt:"Dit project had nooit kunnen bestaan als we gescheiden waren door afdelingen. Het is geen gemakkelijke samenwerking geweest, omdat we ons vakgebied op heel verschillende manieren communiceren, maar omdat we fysiek dichtbij waren, werd het aanzienlijk eenvoudiger." /P>
Alessandro Bevilacqua voegt hieraan toe:"De koffiefactor is heel belangrijk geweest. Doordat we met andere leden van de unit konden praten, ging het proces veel sneller en productiever." Hun samenwerking stopt hier niet; dit document is eerder het begin van een vruchtbare samenwerking tussen de drie eenheden.
"We zien veel synergie in ons werk en we werken effectief en efficiënt samen. Ik zie geen reden waarom we zouden moeten stoppen", zegt professor Laurino. Het is dankzij de gezamenlijke inspanningen van de drie eenheden dat we nu meer weten over de kleinste bewegingen van het leven op de kleinste, vroegste en mogelijk toekomstige schaal.