Synthetische protocellen kunnen worden gemaakt om naar en weg van chemische signalen te bewegen, een belangrijke stap voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnafgiftesystemen die zich op specifieke locaties in het lichaam kunnen richten. Door het oppervlak van de protocellen te bekleden met enzymen - eiwitten die chemische reacties katalyseren - was een team van onderzoekers van Penn State in staat om de richting van de beweging van de protocel in een chemische gradiënt in een microfluïdisch apparaat te regelen. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt op 18 november, 2019 in het journaal Natuur Nanotechnologie .

"De futuristische visie is om medicijnen te laten leveren door kleine 'bots' die het medicijn naar de specifieke locatie kunnen transporteren waar het nodig is, " zei Ayusman Sen, de Verne M. Willaman hoogleraar scheikunde aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. "Momenteel, als u een antibioticum gebruikt voor een infectie in uw been, het verspreidt zich door je hele lichaam. Dus, u moet een hogere dosis nemen om voldoende van het antibioticum in uw been te krijgen waar dat nodig is. Als we de directionele beweging van een medicijnafgiftesysteem kunnen controleren, we verminderen niet alleen de benodigde hoeveelheid van het medicijn, maar kunnen ook de snelheid van levering verhogen."

Een manier om de controlerichting aan te pakken, is dat het medicijnafgiftesysteem specifieke chemische signalen die afkomstig zijn van de infectieplaats, herkent en ernaartoe beweegt. een fenomeen genaamd chemotaxis. Veel organismen gebruiken chemotaxis als overlevingsstrategie, om voedsel te vinden of gifstoffen te ontsnappen. Eerder werk had aangetoond dat enzymen een chemotactische beweging ondergaan omdat de reacties die ze katalyseren energie produceren die kan worden benut. Echter, het meeste van dat werk was gericht op positieve chemotaxis, beweging in de richting van een chemische stof. Tot nu, er was weinig werk verricht op het gebied van negatieve chemotaxis. "Afstembare" chemotaxis - het vermogen om de bewegingsrichting te regelen, naar en weg van verschillende chemische signalen - was nooit aangetoond.

De onderzoekers maken protocellen van uniforme grootte, kleine zakjes die liposomen worden genoemd en die dezelfde componenten hebben die natuurlijke cellen vormen. Ze kunnen dan verschillende enzymen aan het buitenoppervlak van deze protocellen hechten. De enzymen die ze voor dit onderzoek gebruikten waren catalase, urease, en ATPase. Deze enzymen zetten specifieke reactanten om in producten; catalase zet bijvoorbeeld waterstofperoxide om in water en zuurstof.

"We plaatsen de met enzym beklede liposomen in een microfluïdisch apparaat dat een gradiënt van ofwel de reactant van het enzym of zijn producten handhaaft, " zei Ambika Somasundar, een afgestudeerde student aan Penn State en de eerste auteur van het papier. "We kunnen dan de beweging van de liposomen naar of weg van specifieke chemicaliën meten."

In hun experimenten, met catalase gecoate protocellen bewogen naar hun reactant, terwijl met urease gecoate protocellen zich van hun reactant verwijderden. ATPase-gecoate protocellen bewogen zowel naar als weg van de reactant, afhankelijk van de concentratie.

"Om medicijnen effectief af te leveren, je hebt twee dingen nodig:het vermogen om het medicijn te dragen en het vermogen om bewegingen nauwkeurig te controleren, "zei Sen. "Het interieur van de protocellen die we gebruiken, kan worden gevuld met een nuttige lading en we komen nu dichter bij het nauwkeurig regelen van hun beweging."

Naast Sen en Somasundar, het onderzoeksteam van Penn State omvat Subhadip Ghosh, Farzad Mohajerani, Lynnicia N. Massenburg, Tinglu Yang, Paul S. Cremer, en Darrell Velegol. Het onderzoek werd gefinancierd door het Center for Chemomechanical Assembly van de Amerikaanse National Science Foundation.