Polymerkemister och materialforskare har uppnått några anmärkningsvärda framsteg som efterliknar naturen, men en av de vanligaste och praktiska särdragen hos celler har hittills varit utom räckhåll - intracellulär avdelning. Det hänvisar till hur många olika organeller, vesiklar och andra "vatten-i-vatten" mjuka strukturer i cellen, innehålla och isolera kemiska reaktioner och processer. Det låter också reaktionsprodukter selektivt delas med slutanvändare i cellen.

Nu är ett forskargrupp ledd av Thomas Russell vid University of Massachusetts Amherst och Lawrence Berkeley National Laboratory, med postdoktor Ganhua Xie och andra, beskriv i ett nytt papper hur de drar nytta av skillnader i elektrisk laddning för att skapa en "all vattenhaltig, "vatten-i-vatten-konstruktion som uppnår uppdelning i ett syntetiskt system.

"Våra resultat pekar på nya möjligheter för att manipulera och förbättra kontinuerlig separation och uppdelade reaktioner. Jag känner att vi har utvecklat en strategi för att efterlikna levande cellers beteende, "Russell noterar." Människor har tidigare försökt bygga syntetiska system som efterliknar naturen och inte har gjort det, men vi har. Jag tror att detta är första gången detta har visats. "Detaljer visas i det aktuella numret av Chem .

Evan Runnerström, programchef i materialdesign vid arméforskningskontoret, som stödde detta arbete med U.S. Department of Energy, säger, "Denna förmåga att programmera stabil struktur och kemisk funktionalitet i alla vattenhaltiga system som är miljövänliga och biokompatibla kommer potentiellt att ge armén en oöverträffad framtida kapacitet. Den kunskap som genereras av detta projekt kan vara tillämplig på framtida teknik för helvätskebatterier , vattenrening eller sårbehandling och läkemedelsleverans på fältet. "

Russell och kollegor har varit intresserade av flytande gränssnitt i flera år och tidigare genomfört många olje-och-vatten-experiment för att observera resultat under olika förhållanden. "Detta fick oss att börja titta på vatten-i-vatten-vätskegränssnitt, "konstaterar han.

För detta arbete, Xie använde två vattenhaltiga polymerlösningar, en av polyetylenglykol (PEG) och vatten, den andra dextran och vatten, med olika elektriska laddningar; de kan kombineras men blandas inte. Det är ett "klassiskt exempel" på coacervation, de föreslår-lösningen genomgår vätske-vätskefasseparation och bildar två separata domäner, som icke-blandande vax-och-vatten i en lavalampa.

Nästa, Xie använde en nål för att skicka en hög hastighetstråle av dextran-plus-vatten-lösningen till PEG-plus-vatten-lösningen, något Russell kallar "3D-utskrift vatten-i-vatten". Denna operation skapar en koacervat-membranstabiliserad vattenhaltig eller vattenfylld tubuli där rörets längd kan vara kilometer lång, han säger. Denna 3D-tryckning på vatten bildar ett membranskikt av ett coacervat som separerar de två lösningarna.

En annan egenskap hos vattenröret som bildas på detta sätt är att elektrisk laddning reglerar huruvida och i vilken riktning ett material kan passera genom coacervatmembranet, förklarar författarna. Ett negativt laddat färgämne eller annan molekyl kan bara passera genom en negativt laddad vägg i det asymmetriska membranet, och likaså för positivt laddade material. Xie säger, "Det bildar effektivt en diod, en ensidig grind. Vi kan göra en reaktion inuti detta rör eller säck som kommer att generera en positivt laddad molekyl som bara kan diffundera in i den positiva fasen genom koacervatet. "

Han lägger till, "Om vi ​​utformar systemet rätt, vi kan enkelt skilja ut saker och ting med avgift, så det kan användas för separationsmedier i all-vattenhaltiga, uppdelade reaktionssystem. Vi kan också utlösa en reaktion som tillåter en samordnad reaktionskaskad, precis som det händer i våra kroppar. "

Xie förklarar att 3D-utskriften vatten-mot-vatten gör att de kan rikta vart de placerar dessa domäner. "Vi kan bygga flerskiktade strukturer med positiva/negativa/positiva lager. Vi kan använda de säckformade som reaktionskammare, "säger han. Fördelarna med att separera funktioner och material i celler genom uppdelning inkluderar att låta många processer ske samtidigt, många olika kemiska miljöer för att samexistera och i övrigt oförenliga komponenter för att fungera sida vid sida.

Bland andra tester och experiment, forskarna rapporterar om hur de utformade ett vattenhaltigt rörsystem och bifogade nålar och sprutpumpar i varje ände för att tillåta vatten att pumpa genom hela strukturen utan läckage, skapa ett genomströmningssamordnat reaktionssystem.

"När vi väl hade gjort det, vi tittade på den biologiska efterlikningen "säger Russell." Det har varit mycket ansträngningar att efterlikna biologiska system, och en biolog kan invända och säga att detta är för enkelt. Men jag tror att även om det handlar om enkla material, det fungerar. Det trampar väldigt nära kärl, och det härmar någon plats där kemikalier flyter genom ett membran. Finns det i kroppen? Nej, men det efterliknar en verklig metabolisk process, en kammarreaktion. "