Vattenlösning av två polymerer (röd och grön) i ett provrör och i konstgjorda celler av olika storlekar. I provröret blandas lösningen homogent, men i den lilla konstgjorda cellen separeras lösningen i två faser. Kredit:© 2022 Yanagisawa et al, ACS Materials Letters (2022). DOI:10.1021/acsmaterialslett.2c00404
Ny forskning visar att cellstorlek och membran kan spela en nyckelroll för att reglera fördelningen av molekyler inuti celler. Denna upptäckt erbjuder en ny okonventionell metod för att manipulera artificiella celler via deras storlek och gränssnittsegenskaper, eller deras gränser, istället för genom molekylär modifiering av deras kemiska struktur. Detta kan hjälpa flera industrier, från kosmetika till läkemedel, som vill undvika oväntade förändringar av egenskaperna hos artificiella celler i sina produkter, till exempel när de skapar nya läkemedel som vacciner.
Konstgjorda celler kan vara små livräddare, som COVID-19 mRNA-vaccinet. Dessa konstruerade underverk kan göras för att efterlikna biologiska cellers funktioner och utföra alla möjliga uppgifter, från att "lära" våra egna celler hur de ska svara på ett virus, odla konstgjord hud för att testa kosmetika eller göra matkonserveringsmedel.
Men att skapa och manipulera dessa celler kommer med många utmaningar. "Under de senaste åren har konstgjorda celler som innehåller lösningar (eller blandningar) av flerkomponentmolekyler använts i kosmetiska och farmaceutiska produkter. Även om sådana lösningar inte separerade i provrör, separerade de ibland i konstgjorda celler, vilket var problematiskt för tillämpningar", förklarade han. Docent Miho Yanagisawa från Graduate School of Arts and Sciences vid University of Tokyo.
Denna separation, som kallas vätske-vätskefasseparation (LLPS), har dykt upp som en grundläggande mekanism för att reglera biologisk aktivitet i levande organismer. Men vilken typ av biomolekyler som separerar och villkoren under vilka detta inträffar är ännu inte helt klarlagda. Denna senaste forskning publicerad i ACS Materials Letters ger lite välbehövlig insikt.
Från vänster till höger är:transmissionsbilden, fluorescerande bild av polymer A, fluorescerande bild av polymer B och deras sammansatta bild. Diametrarna för de konstgjorda cellerna är 13 mikrometer (i), 18 mikrometer (ii, iii) och 28 mikrometer (iv). Fasseparation ses i de små konstgjorda cellerna (i-iii), men inte i den stora konstgjorda cellen (iv). Kredit:© 2022 Yanagisawa et al, ACS Materials Letters (2022). DOI:10.1021/acsmaterialslett.2c00404
"Konventionellt ansågs separationsförhållandena och graden av separation vara storleksoberoende, så länge som storleken på behållaren var cirka 1 mikrometer, eller mikron (en tusendels millimeter), eller större", säger Yanagisawa. Ett överraskande fynd av denna forskning var dock att ju mindre den konstgjorda cellen är, desto större grad i vilken separation inträffade.
Idén om cellstorleksberoende beteende föreslogs 2012, men detaljerna i detta fenomen förblev oklara. Teamet vid University of Tokyo utförde multiskalexperiment med droppar av två polymerer i olika storlekar – kort, polyetylenglykol (PEG) och lång dextran – i blandningar inuti ett lipidmembran för att skapa konstgjorda celler av olika storlek.
"Från sådana experiment insåg vi att membranet känner av små skillnader mellan molekyler och väljer den föredragna molekylen, som är ursprunget till det cellstorleksberoende beteendet. Detta var studiens stora klimax", förklarade Yanagisawa. "Vi tror att denna upptäckt erbjuder en ny metod för att manipulera material via utrymmesstorleken och gränsytegenskaperna hos behållare med konstgjorda celler. Denna idé skiljer sig helt från de konventionella genom manipulering av molekylära strukturer."
Yanagisawa säger, "Det finns huvudsakligen två riktningar för nästa steg:en är mot en fysisk förståelse och formulering av cellstorlekens rymdeffekter på molekylära beteenden; en annan är mot läkemedels- och kosmetikatillämpningar, med användning av de artificiella cellerna med tanke på cell- storlekseffekt." + Utforska vidare
