Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben een nauwkeurig regelbaar systeem ontwikkeld om biochemische reactiecascades in cellen na te bootsen. Met behulp van microfluïdische technologie, ze produceren miniatuur polymere reactiecontainers uitgerust met de gewenste eigenschappen. Deze 'cel op een chip' is niet alleen handig voor het bestuderen van processen in cellen, maar ook voor de ontwikkeling van nieuwe syntheseroutes voor chemische toepassingen of voor biologisch actieve stoffen in de geneeskunde.

Om te overleven, groeien en verdelen, cellen vertrouwen op een groot aantal verschillende enzymen die vele opeenvolgende reacties katalyseren. Gezien de complexiteit van processen in levende cellen, het is onmogelijk om te bepalen wanneer bepaalde enzymen in welke concentraties aanwezig zijn en wat hun optimale verhoudingen zijn ten opzichte van elkaar. In plaats daarvan, onderzoekers gebruiken kleinere, synthetische systemen als modellen om deze processen te bestuderen. Deze synthetische systemen simuleren de onderverdeling van levende cellen in afzonderlijke compartimenten.

Sterke gelijkenis met natuurlijke cellen

Nutsvoorzieningen, het team onder leiding van professoren Cornelia Palivan en Wolfgang Meier van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Basel heeft een nieuwe strategie ontwikkeld voor de productie van deze synthetische systemen. Schrijven in het journaal Geavanceerde materialen , beschrijven de onderzoekers hoe ze verschillende synthetische miniatuur reactiecontainers maken, bekend als blaasjes, die - als geheel genomen - als modellen van een cel dienen.

“In tegenstelling tot vroeger, dit is niet gebaseerd op de zelfassemblage van blaasjes, ", legt Wolfgang Meier uit. "Integendeel, we hebben efficiënte microfluïdische technologie ontwikkeld om op een gecontroleerde manier met enzymen beladen blaasjes te produceren." Met de nieuwe methode kunnen de onderzoekers de grootte en samenstelling van de verschillende blaasjes aanpassen, zodat er verschillende biochemische reacties in kunnen plaatsvinden zonder er één te beïnvloeden een andere, zoals in de verschillende compartimenten van een cel.

Om de gewenste blaasjes te maken, de wetenschapper voert de verschillende componenten in kleine kanaaltjes op een chip van siliciumglas. Op deze chip alle microkanalen komen samen op een kruispunt. Als de voorwaarden correct zijn geconfigureerd, deze opstelling produceert een waterige emulsie van polymeerdruppeltjes van uniforme grootte die worden gevormd op het snijpunt.

Nauwkeurige controle:

Het polymeermembraan van de blaasjes fungeert als een buitenste schil en omsluit een waterige oplossing. Tijdens de productie, de blaasjes zijn gevuld met verschillende combinaties van enzymen. Zoals eerste auteur Dr. Elena C. dos Santos uitlegt:deze techniek biedt een aantal belangrijke voordelen:"De nieuw ontwikkelde methode stelt ons in staat om blaasjes op maat te maken en de gewenste combinatie van enzymen binnenin nauwkeurig af te stellen."

Eiwitten die in het membraan zijn opgenomen, werken als poriën en maken het selectieve transport van verbindingen in en uit de polymeerblaasjes mogelijk. De poriegroottes zijn ontworpen om alleen specifieke moleculen of ionen door te laten, waardoor de afzonderlijke studie van cellulaire processen die in de natuur nauw naast elkaar plaatsvinden, mogelijk wordt.

"We hebben kunnen aantonen dat het nieuwe systeem een ​​uitstekende basis biedt voor het bestuderen van enzymatische reactieprocessen, " legt Cornelia Palivan uit. "Deze processen kunnen worden geoptimaliseerd om de productie van een gewenst eindproduct te stimuleren. Bovendien, de technologie stelt ons in staat om specifieke mechanismen te onderzoeken die een rol spelen bij stofwisselingsziekten of die de reactie van bepaalde medicijnen in het lichaam beïnvloeden."

Het werk werd ondersteund door het Zwitserse Nanoscience Institute aan de Universiteit van Basel, de Zwitserse National Science Foundation en het National Center of Competence in Research "MSE-Molecular Systems Engineering."