(Phys.org) - "Zombie"-zoogdiercellen die mogelijk beter functioneren nadat ze zijn gestorven, zijn gemaakt door onderzoekers van Sandia National Laboratories en de Universiteit van New Mexico (UNM).

De eenvoudige techniek bedekt een cel met een silica-oplossing om een ​​bijna perfecte replica van zijn structuur te vormen. Het proces kan een breed scala aan commerciële fabricageprocessen vereenvoudigen, van nano- tot macroschaal.

Het werk, gerapporteerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), gebruikt de nanoscopische organellen en andere kleine componenten van zoogdiercellen als fragiele sjablonen waarop silica kan worden afgezet. De onderzoekers verwarmen de cel vervolgens om het eiwit te verbranden. De resulterende geharde silicastructuren zijn trouw aan de uitwendige en inwendige kenmerken van de voorheen levende cel, kan grotere druk en temperaturen overleven dan vlees ooit zou kunnen, en sommige functies beter kunnen uitvoeren dan toen ze nog leefden, zei hoofdonderzoeker Bryan Kaehr, een Sandia materiaalwetenschapper.

"Het is een hele uitdaging voor onderzoekers om structuren te bouwen op nanometerschaal, "zei Kaehr. "We kunnen deeltjes en draden maken, maar 3D willekeurige structuren zijn nog niet bereikt. Met deze techniek, we hoeven die structuren niet te bouwen - de natuur doet het voor ons. We hoeven alleen maar cellen te vinden die over de machinerie beschikken die we willen en die met onze techniek te kopiëren. En, met behulp van chemie of oppervlaktepatronen, we kunnen een groep cellen programmeren om elke vorm te vormen die wenselijk lijkt."

UNM-professor en Sandia Fellow Jeff Brinker voegde toe:"Het proces repliceert op getrouwe wijze kenmerken van nanoschaal tot macroschaal in een robuuste, driedimensionaal stabiele vorm die bestand is tegen krimp, zelfs bij verhitting tot meer dan 500 graden Celsius [932 graden Fahrenheit]. De vuurvastheid van deze delicate structuren is verbazingwekkend."

De ongebruikelijke maar eenvoudige procedure kan als model dienen voor het creëren van sterkere klassen van nanoscopische producten.

Omdat een cel wordt bevolkt door een groot aantal eiwitten, lipiden en steigers, het interieur is kant-en-klaar om katalysatoren te modelleren, trechters, absorptiemiddelen en andere nuttige nanomachines, zei Kaehr, een voormalige Sandia Truman Fellow.

Katalysatoren die in cellen evolueren, zijn enzymen die een bepaalde vorm moeten behouden om hun chemie te laten werken. Omdat structuur belangrijk is om te functioneren, het stabiliseren van een katalysator in de vorm die het ontwikkelde is belangrijk, zei Kaehr. Hittegehard silica zou het nog aanwezige eiwit stabiliseren en beschermen terwijl het zijn werk deed.

UNM-postdoctoraal student Jason Townson zei dat het meest directe gebruik voor verkiezeling een eenvoudige manier kan zijn om de structuur van organische materialen voor beeldvorming te behouden.

"Vroeger, voor interne conservering en daaropvolgende beeldvorming, een cel zou worden gefixeerd in formaldehyde of een ander conserveermiddel. Maar veel van deze methoden zijn arbeidsintensief, " zei Townson. "Deze methode is eenvoudig. De geconserveerde cellen zullen nooit slordig worden in verval. En toen we de resulterende structuur openbraken, we waren verbluft door hoe goed de cel bewaard was gebleven, tot in de kleine groef van het DNA van de cel."

Door de cel te verwarmen tot nog hogere temperaturen (hoger dan 400 graden C) verdampt het organische materiaal van de cel - zijn eiwit - en blijft het silica achter in een soort driedimensionale Madame Tussauds-wasreplica van een voorheen levend wezen. Het verschil is dat in plaats van het gezicht te modelleren, zeggen, van een beroemde crimineel, de geharde op silica gebaseerde cellen vertonen interne gemineraliseerde structuren met ingewikkelde kenmerken, variërend van nano- tot millimeter-lengteschalen.

Het constructieproces is relatief eenvoudig:neem wat vrij zwevende zoogdiercellen, doe ze in een petrischaal en voeg kiezelzuur toe.

Door de werking van methanol, een bijproduct van het zuur, de lipidelagen van de cel - de beschermende omhulsels die de cel intact houden - worden verzacht en poreus genoeg gemaakt om het silica te laten stromen bij ongeveer de temperatuur van het menselijk lichaam.

Het kiezelzuur, om redenen die nog gedeeltelijk onduidelijk zijn, komt binnen zonder verstopping en balsemt in feite elk organel in de cel, van micro- tot nanometerschaal.

Als de cel niet verwarmd wordt, het silicium vormt een soort doorlatend pantser rond het eiwit van de levende cel. Dit kan het voldoende ondersteunen om als katalysator te werken bij temperaturen en drukken die van nature niet kunnen worden verwacht.

"Als we eenmaal silica hebben gebruikt om de celstructuur te stabiliseren, het kan nog steeds reacties uitvoeren en, belangrijker, die reactie is stabiel genoeg om bij hoge temperaturen te werken, " zei Kaehr. "De methode is ook een middel om een ​​zachte, potentieel waardevol biologisch materiaal en zet het om in een fossiel dat voor onbepaalde tijd op onze planken zal blijven staan."

Gewoonlijk, iets biologisch bewaren betekent het invriezen, wat energie-intensief is, hij zei. In plaats daarvan, "We doen aan snelle fossilisatie:een protoplasmatische cel snel omzetten in een harde structuur die de tand des tijds zal doorstaan."

Experimenten toonden aan dat de cel kan worden gebruikt als een omgekeerde mal waaruit, bij 900 graden C, een poreuze gecarboniseerde structuur resulteert uit het verwarmen van celeiwit in een vacuüm. Met andere woorden, op dezelfde manier dat het verbranden van hout in de lucht een residu van structuurloos roet achterlaat, de zombie verwarmingsmethode resulteert in een hoogwaardige koolstofstructuur. Daaropvolgend oplossen van de onderliggende silicadrager verminderde de elektrische weerstand van de cel met ongeveer 20 keer. Dergelijke materialen zouden aanzienlijk bruikbaar zijn in brandstofcellen, decontaminatie en sensortechnologieën.

Dat zulke buitengewone resultaten kunnen worden bereikt door cellen te verkiezelen, geeft aan dat veel zachte cellulaire architecturen "grondstof kunnen zijn voor de meeste materiaalverwerkingsprocedures, inclusief die welke hoge temperaturen en drukken vereisen, " volgens het technische document.

Andere poreuze materiaalstructuren, vertrouwen op titanium in plaats van silica, zijn gevormd met behulp van de organische sjabloontechniek. Andere metaaloxiden, zei Kaehr, zijn een mogelijkheid. Deze zouden complexere structurele functies hebben of als katalysator kunnen dienen.

Het werk volgt de inspanningen van een aantal wetenschappelijke groepen, inclusief Kaehr's, die gelachtige structuren hebben opgebouwd, kopieerde ze met silica en verbrandde vervolgens de gel om te creëren, in werkelijkheid, grote sponzen.

"Now we can change the biological shape and calcify (heat) it, so for the first time we get new irregular structures, " Kaehr said.

Summing up, Kaehr offers what may be the first distinction in scientific literature between a mummy cell and a zombie cell:"King Tut was mummified, " hij zei, "to approximately resemble his living self, but the process took place without mineralization [a process of fossilization]. Our zombie cells bridge chemistry and biology to create forms that not only near-perfectly resemble their past selves but can do future work."