Forskning från ITMO föreslår att man använder urchinliknande partiklar som kontrolleras av ett magnetfält för att påskynda kemiska reaktioner i celler. Denna nya teknologi kommer att göra det möjligt för dem att öka cellmembranets permeabilitet och samtidigt bevara cellens ursprungliga struktur. Detta kan förenkla substanstillförseln och öka hastigheten för biokatalys. Forskningen publicerades i Journal of Physical Chemistry Letters .

Att förvandla ett ämne till ett annat, det är nödvändigt att infiltrera ett biologiskt system, som en cell, med ett substrat — ett kemiskt ämne som kan starta en serie reaktioner. Som ett resultat av dessa reaktioner, en produkt skapas som kan användas i efterföljande kemiska omvandlingar både inuti själva cellerna och vid tillverkning av medicinska behandlingar eller livsmedelsprodukter. Den största svårigheten med att kontrollera cellbiokatalytiska processer är det faktum att cellmembran begränsar diffusionshastigheten - eller substratets penetration av celler.

"Vi kan öka cellmembranets permeabilitet för att övervinna denna barriär. Ofta, olika kemiska ämnen används för detta ändamål. Dock, de kan vara ganska giftiga och är svåra att kontrollera, medan andra metoder kan orsaka permanent skada på cellens struktur, " förklarar Daniil Kladko, en masterstudent vid SCAMT och en av författarna till uppsatsen.

ITMO-forskare använde den biokemiska reaktionen av etanoljäsning för att visa att membranpermeabiliteten kan ökas - och därmed biokatalys kan kontrolleras - genom att använda speciella urchinliknande partiklar som riktas av ett magnetfält. Dessa partiklar har fått sitt namn för de vassa spikarna på deras yta som får dem att se ut som sjöborrar. Bagerijäst valdes som modellorganism för experimentet.

För att förvandla substratet (glukos) till alkohol med hjälp av jäst, forskarna lade först de urchinliknande partiklarna till blandningen, sedan inkuberade det, och placerade den i en magnetisk uppställning som kan utsätta den för ett växelmagnetiskt fält med en specificerad frekvens, intensitet, och riktning. Forskarna kunde tränga igenom membranet och leverera substratet inuti cellen utan att störa dess struktur eller vitala kapacitet. Dessutom, det visade sig att processen kan styras genom att slå på och av magnetfältet.

"Ett roterande magnetfält gör att jästen och de urchinliknande partiklarna roterar runt sin axel, vilket resulterar i att "borren" interagerar med membranet:Den omvandlar magnetfältets energi till mekanisk påfrestning på membranet. Således, när det är på membranet, det skapar ett kraftmoment, så att membranet öppnas. Tiden och frekvensen spelar en viktig roll i detta experiment. Vi behöver fältet för att arbeta och "rycka" på membranet ett tag, eftersom det fortfarande är en avsevärt tät struktur trots dess till synes sköra, säger Daniil Kladko.

Den resulterande tekniken kan tillämpas inom olika områden:t.ex. livsmedelstillverkning, läkemedelsindustri, och bioteknik. Till exempel, när man arbetar med jäst, accelererande biokatalys med magnetfält skulle göra det möjligt att skära ner priserna på jästproduktion och därmed öka antalet jästbaserade produkter på marknaden. Detsamma gäller läkemedel baserade på biosyntes, eftersom den nya metoden kommer att öka deras produktionsvolymer och sänka deras marknadspris.