(Phys.org)— "Zombie" däggdjursceller som kan fungera bättre efter att de dör har skapats av forskare vid Sandia National Laboratories och University of New Mexico (UNM).

Den enkla tekniken täcker en cell med en kiseldioxidlösning för att bilda en nästan perfekt kopia av dess struktur. Processen kan förenkla en mängd olika kommersiella tillverkningsprocesser från nano- till makroskala.

Arbetet, redovisas i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), använder de nanoskopiska organellerna och andra små komponenter i däggdjursceller som ömtåliga mallar att deponera kiseldioxid på. Forskarna värmer sedan upp cellen för att bränna bort dess protein. De resulterande härdade kiseldioxidstrukturerna är trogna de yttre och inre egenskaperna hos den tidigare levande cellen, kan överleva högre tryck och temperaturer än kött någonsin skulle kunna, och kan utföra vissa funktioner bättre än när de levde, sa huvudforskaren Bryan Kaehr, en materialforskare från Sandia.

"Det är mycket utmanande för forskare att bygga strukturer i nanometerskala, " sa Kaehr. "Vi kan göra partiklar och trådar, men 3-D godtyckliga strukturer har inte uppnåtts ännu. Med denna teknik, vi behöver inte bygga de strukturerna – naturen gör det åt oss. Vi behöver bara hitta celler som har det maskineri vi vill ha och kopiera det med vår teknik. Och, med hjälp av kemi eller ytmönster, vi kan programmera en grupp celler för att bilda vilken form som helst som verkar önskvärd."

UNM-professorn och Sandia-stipendiaten Jeff Brinker tillade, "Processen replikerar troget funktioner från nanoskala till makroskala i en robust, tredimensionellt stabil form som motstår krympning även vid uppvärmning till över 500 grader Celsius [932 grader Fahrenheit]. Eldfastheten hos dessa ömtåliga strukturer är fantastisk."

Den ovanliga men enkla proceduren kan fungera som en modell för att skapa hårdare klasser av nanoskopiska produkter.

Eftersom en cell är befolkad av ett stort antal proteiner, lipider och byggnadsställningar, dess interiör är färdig för att modellera katalysatorer, trattar, absorbenter och andra användbara nanomaskiner, sa Kaehr, en före detta Sandia Truman Fellow.

Katalysatorer som utvecklas i celler är enzymer som måste behålla en viss form för att deras kemi ska fungera. Eftersom struktur är viktig för att fungera, att stabilisera en katalysator i den form den utvecklats är viktigt, sa Kaehr. Värmehärdad kiseldioxid skulle stabilisera och skydda det fortfarande närvarande proteinet när det gjorde sitt arbete.

UNM postdoktorand Jason Townson sa att den mest omedelbara användningen för silicifiering kan vara som ett enkelt sätt att bevara strukturen hos organiska material för avbildning.

"Förr, för intern konservering och efterföljande bildbehandling, en cell skulle fixeras i formaldehyd eller något annat konserveringsmedel. Men många av dessa metoder är arbetskrävande, Townson sa. "Denna metod är enkel. De bevarade cellerna kommer aldrig att bli slarviga i förfall. Och när vi sprack upp den resulterande strukturen, vi blev imponerade av hur väl cellen bevarades, ner till det mindre spåret i cellens DNA."

Uppvärmning av cellen till ännu högre temperaturer (större än 400 grader C) förångar cellens organiska material – dess protein – och lämnar kvarts i en sorts tredimensionell Madame Tussauds vaxreplika av en tidigare levande varelse. Skillnaden är att istället för att modellera ansiktet, säga, av en berömd brottsling, de härdade kiseldioxidbaserade cellerna uppvisar inre mineraliserade strukturer med invecklade egenskaper som sträcker sig från nano- till millimeterlånga skalor.

Byggprocessen är relativt enkel:ta några fritt flytande däggdjursceller, lägg dem i en petriskål och tillsätt kiselsyra.

Genom inverkan av metanol, en biprodukt av syran, cellens lipidlager – de skyddande höljena som håller cellen intakt – mjukas upp och görs tillräckligt porösa för att kiseldioxiden ska kunna flöda in vid ungefär samma temperatur som människokroppen.

Kiselsyran, av skäl som fortfarande är delvis oklara, kommer in utan att täppa igen och balsamerar i själva verket varje organell i cellen från mikro- till nanometerskalan.

Om cellen inte är uppvärmd, kiseldioxiden bildar en sorts permeabel rustning runt proteinet i den levande cellen. Detta kan stödja det tillräckligt för att fungera som en katalysator vid temperaturer och tryck som naturen inte drömmer om.

"När vi har använt kiseldioxid för att stabilisera cellstrukturen, den kan fortfarande utföra reaktioner och, mer viktigt, att reaktionen är tillräckligt stabil för att fungera vid höga temperaturer, ", sa Kaehr. "Metoden är också ett sätt att ta en mjuk, potentiellt värdefullt biologiskt material och omvandla det till ett fossil som kommer att stanna på våra hyllor på obestämd tid."

Vanligtvis, att bevara något organiskt innebär att frysa det, som är energikrävande, han sa. Istället, "Vi gör snabb fossilisering:omvandlar snabbt en protoplasmatisk cell till en hård struktur som kommer att stå emot tidens tand."

Experiment visade att cellen kan användas som en omvänd form från vilken, vid 900 grader C, en porös karboniserad struktur resulterar från uppvärmning av cellprotein i ett vakuum. Med andra ord, på samma sätt som att bränna ved i luften lämnar en rest av strukturlöst sot, zombieuppvärmningsmetoden resulterar i en högkvalitativ kolstruktur. Efterföljande upplösning av den underliggande kiseldioxidbäraren minskade cellens elektriska motstånd med ungefär 20 gånger. Sådana material skulle ha stor användbarhet i bränsleceller, dekontaminering och sensorteknik.

Att sådana extraordinära resultat kan uppnås genom att silicifiera celler indikerar att många mjuka cellulära arkitekturer kan vara "råvara för de flesta materialbearbetningsprocedurer, inklusive de som kräver höga temperaturer och tryck, " enligt tekniska papper.

Andra porösa materialstrukturer, förlitar sig på titan istället för kiseldioxid, har formats med den organiska malltekniken. Andra metalloxider, sa Kaehr, är en möjlighet. Dessa skulle ha mer komplexa strukturella funktioner eller skulle kunna fungera som katalysatorer.

Arbetet följer insatserna från ett antal vetenskapliga grupper, inklusive Kaehr's, som har byggt gelliknande strukturer, copied them with silica and then burned off the gel to create, i själva verket, large sponges.

"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, " han sa, "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."