Om de verandering van de microdruppelgrootte te voorkomen, hebben onderzoekers geprobeerd de temperatuur snel te verlagen, maar deze inspanningen kunnen nooit de uniformiteit van de druppeltjes verbeteren. Als uniform gerangschikte homogene druppeltjes die bepaalde substraten zoals DNA en medicijnen insluiten, in een eenvoudige procedure kunnen worden geproduceerd, zullen deze druppels dienen als nuttige items bij de toediening van medicijnen en ook bij het creëren van synthesecellen. Deze zelforganisatie van microdruppeltjes kan waardevolle inzichten opleveren in de zelfassemblage van biologische moleculen.

Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift ACS Macro Letters een onderzoeksteam onder leiding van Ph.D. student Mayu Shono van de afdeling Chemische Technologie en Materiaalwetenschappen aan de Doshisha Universiteit ontdekte dat het homogene ruimtelijke patroon van microdruppels spontaan wordt gegenereerd door fasescheiding van de polymeeroplossing langs een glazen capillaire buis.

Interessant genoeg werd aangetoond dat het uniform gerangschikte patroon van de druppels urenlang tamelijk stabiel is. De onderzoekers stopten een waterige tripolymeeroplossing met polyethyleenglycol (PEG) gemengd met dextraan (DEX) en gelatine in een glazen capillaire buis bedekt met PEG. Ze merkten op dat na verloop van tijd de drie fasen zich scheidden en dat de DEX- en gelatinedruppeltjes zich in een periodiek patroon in de PEG-fase op één lijn brachten.

De spontane zelfassemblage vond plaats zonder enige uitwisseling van materialen of energie in het systeem, waardoor het zich onderscheidde van andere systemen. "We hebben ons onderzoek uitgevoerd om het onderliggende mechanisme van zelforganisatie in levende materie duidelijk te maken. Als resultaat van dit onderzoek hebben we een nieuw fenomeen ontdekt voor het genereren van zelfgeorganiseerde karakteristieke patronen", zegt mevrouw Shono.

In hun experimenten bereidden de onderzoekers drie waterige tripolymeeroplossingen, waarbij PEG, DEX en gelatine werden gecombineerd met gedestilleerd water in een gewichtsverhouding van 5:4:6.

Om de moleculen van elkaar te onderscheiden, labelden ze de DEX en gelatine met fluorescerende markers. Deze markeringen zenden licht uit van specifieke kleuren wanneer ze worden blootgesteld aan licht van bepaalde golflengten, waardoor ze de verschillende componenten in het monster kunnen identificeren. De oplossing werd vervolgens in met PEG gecoate capillaire buisjes met een diameter van 140 μm en 280 μm getrokken.

Als gevolg van preferentiële hechting aan het oppervlak van het capillair scheidde PEG zich onmiddellijk van de oplossing. De DEX- en gelatinefasen, die van de binnenwand werden afgestoten, vormden vervolgens druppeltjes die in omvang toenamen.

In 40 seconden vormden de DEX-druppeltjes een lineaire opstelling in het midden van het capillair, en 120 seconden later deden de gelatinedruppeltjes hetzelfde. Dit leidde tot een zelfgeorganiseerde, periodieke uitlijning van DEX- en gelatinerijke microdruppeltjes omgeven door een PEG-rijke fase, die zichzelf acht uur na vorming in stand hield.

De essentie van het waargenomen patroon wordt gereproduceerd door middel van numerieke simulatie door het theoretische model te wijzigen met de Cahn-Hilliard-vergelijking, die de tijdsafhankelijke verandering beschrijft van het ruimtelijke patroon van fasescheiding in een mengsel van drie verschillende polymeren.

Het bereiken van stabiele micropatronen door middel van fasescheidingen is een uitdaging, omdat de microdruppeltjes die door faseovergang worden gegenereerd over het algemeen niet uniform zijn en de neiging hebben om in de loop van de tijd in te storten of te verdwijnen. Door ze echter op te sluiten in een capillair met geschikte chemische modificatie van het binnenoppervlak, konden de onderzoekers de patronen voor lange perioden behouden.

"De nieuwe methodologie om uniforme druppeltjes te verkrijgen die hier worden gerapporteerd, is in verschillende opzichten superieur aan de huidige microfluïdica", zegt mevrouw Shono.

In de toekomst kunnen dergelijke micropatronen worden bestudeerd om inzicht te verschaffen in de mechanismen die betrokken zijn bij de zelfassemblage van biologische moleculen. Bovendien kan het helpen bij de ontwikkeling van gerichte medicijnafgifte en de productie van gewenste macromoleculen, zoals eiwitten en nucleotiden, met behulp van protocellen.

Onlangs heeft mevrouw Shono samen met medewerkers een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Small wat wijst op de succesvolle selectieve insluiting van DNA ter grootte van een genoom in de homogene, gerangschikte druppeltjes.

Mevrouw Shono concludeert:“Dit scenario voor patroonvorming gekoppeld aan fasescheiding onder opsluiting kan een nieuw gezichtspunt bieden om de verborgen factoren voor het ontstaan ​​van leven bloot te leggen en ook om het onderliggende mechanisme voor de stabiliteit van de structuur en functie van membraan- minder organellen in levende cellen."

Meer informatie: Mayu Shono et al., Periodieke uitlijning van binaire druppels via een microfasescheiding van een tripolymeeroplossing onder buisvormige opsluiting, ACS Macro Letters (2024). DOI:10.1021/acsmacrolett.3c00689

Aangeboden door Doshisha Universiteit