Våra kroppar består av biljoner olika celler, som var och en fyller sin egen unika funktion för att hålla oss vid liv. Hur rör sig celler i dessa extremt komplicerade system? Hur vet de vart de ska gå? Och hur blev de så komplicerade till att börja med? Enkla men djupgående frågor som dessa är kärnan i nyfikenhetsdriven grundforskning, som fokuserar på de grundläggande principerna för naturfenomen. Ett viktigt exempel är den process genom vilken celler eller organismer rör sig som svar på kemiska signaler i sin miljö, även känd som kemotaxi.
En grupp forskare från tre olika forskningsenheter vid Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) gick samman för att svara på grundläggande frågor om kemotaxi genom att skapa syntetiska droppar för att efterlikna fenomenen i labbet, vilket gör det möjligt för dem att exakt isolera, kontrollera och studera fenomen.
Deras resultat, som hjälper till att svara på frågor om principerna för rörelse i enkla biologiska system, har publicerats i Journal of The American Chemical Society .
"Vi har visat att det är möjligt att få proteindroppar att migrera genom enkla kemiska interaktioner", säger Alessandro Bevilacqua, Ph.D. student i Protein Engineering and Evolution Unit och medförsta författare på tidningen. Professor Paola Laurino, enhetschef och senior författare. Laurino tillägger att de "har skapat ett enkelt system som efterliknar ett mycket komplext fenomen, och som kan moduleras genom enzymatisk aktivitet."
Spänningar på ytan
Även om processen att skapa droppar kanske inte låter som den mest komplicerade uppgiften, är det verkligen att efterlikna biologiska processer så nära verkligheten som möjligt samtidigt som man håller exakt kontroll över alla variabler. De syntetiska, membranlösa dropparna innehåller en mycket hög koncentration av det bovina proteinet BSA för att efterlikna de trånga förhållandena inuti cellerna, såväl som ureas, ett enzym som katalyserar nedbrytningen av urea till ammoniak.
Ammoniak är basisk, vilket betyder att den har ett högt pH-värde. När enzymet gradvis katalyserar produktionen av ammoniak diffunderar det in i lösningen och skapar en "halo" med högre pH runt droppen, vilket i sin tur gör det möjligt för droppar att upptäcka andra droppar och migrera mot varandra.
Forskarna fann att nyckeln till att förstå dropparnas kemotaxi är pH-gradienten, eftersom den underlättar Marangoni-effekten, som beskriver hur molekyler strömmar från områden med hög ytspänning till låg.
Ytspänning är måttet på energi som krävs för att hålla ihop molekyler på ytan, som lim. När pH ökar försvagas detta lim, vilket gör att molekyler breder ut sig och sänker ytspänningen, vilket i sin tur gör det lättare för molekyler att röra sig. Du kan se detta genom att tillsätta tvål, som har ett högt pH, i ena änden av ett badkar med stillastående vatten:vattnet kommer att flyta mot slutet med tvål på grund av Marangoni-effekten.
När två syntetiska droppar är tillräckligt nära interagerar deras glorier, vilket höjer pH i miljön mellan dem, vilket gör att de rör sig tillsammans. Eftersom ytspänningen fortfarande är stark på de motsatta ändarna av dropparna, behåller de sin form tills ytorna berörs, och de kohesiva krafterna inuti dropparna övervinner ytspänningen, vilket får dem att smälta samman. Eftersom större droppar både producerar mer ammoniak och har en större yta (vilket minskar ytspänningen), drar de till sig droppar som är mindre än de själva.
Samarbete kring uråldrig soppa och framtida bioteknik
Tack vare utvecklingen av dessa droppar har forskarna gjort framsteg när det gäller att svara på grundläggande frågor om biologisk rörelse – och genom att göra det har de fått insikt i den riktade rörelsen av de tidigaste livsformerna i ursoppan för miljarder år sedan, som samt ett ledarskap för att skapa nya biologiskt inspirerade material.
Vår kunskap om livet som det såg ut för miljarder år sedan är i bästa fall flummig. En framträdande hypotes är att livet har sitt ursprung i haven, eftersom organiska molekyler gradvis samlades och blev mer sofistikerade i en "ursoppa" – och detta kunde ha underlättats av kemotaxi genom Marangoni-effekten.
"Det skulle ha varit fördelaktigt för droppar att ha denna migrationsmekanism i det hypotetiska livsuppkomstscenariot", som professor Laurino uttrycker det. Denna migration kunde ha utlöst bildandet av primitiva metaboliska vägar där enzymer katalyserar en mängd olika ämnen som i slutändan producerar en kemisk gradient som driver ihop dropparna, vilket leder till större och mer sofistikerade samhällen.
Forskningen pekar också framåt i tiden, vilket leder till ny teknik. "Ett exempel är skapandet av responsivt material inspirerat av biologi", föreslår Alessandro Bevilacqua. "Vi har visat hur enkla droppar kan migrera tack vare en kemisk gradient. En framtida tillämpning av detta kan vara teknologier som känner av eller reagerar på kemiska gradienter, till exempel inom mikrorobotik eller läkemedelstillförsel."
Projektet startade under coronavirus-pandemin, när en medlem av Protein Engineering and Evolution Unit satt i karantän med en medlem av Complex Fluids and Flows Unit. De två började prata, och även om de två enheterna kommer från två olika områden - biokemi respektive mekanik - utvecklades projektet parallellt. Så småningom anslöt sig medlemmar från Micro/Bio/Nanofluidics Unit till projektet med sofistikerade mätningar av dropparnas ytspänning.
Den unika icke-disciplinära forskningsmiljön vid OIST katalyserade samarbetet. Som professor Laurino uttrycker det, "Det här projektet kunde aldrig ha funnits om vi var åtskilda av institutioner. Det har inte varit ett lätt samarbete, eftersom vi kommunicerar vårt område på väldigt olika sätt - men att vara fysiskt nära gjorde det betydligt lättare."
Alessandro Bevilacqua tillägger, "Kaffefaktorn har varit mycket viktig. Att kunna sitta ner med andra enhetsmedlemmar gjorde processen mycket snabbare och mer produktiv." Deras samarbete slutar inte här – det här dokumentet är snarare början på ett fruktbart partnerskap mellan de tre enheterna.
"Vi ser mycket synergier i vårt arbete, och vi arbetar effektivt och effektivt tillsammans. Jag ser ingen anledning till varför vi ska sluta", säger professor Laurino. Det är tack vare de tre enheternas kombinerade ansträngningar som vi nu vet mer om livets små rörelser i minsta, tidigaste och möjligen framtida skala.
Mer information: Mirco Dindo et al, Chemotactic Interactions Drive Migration of Membraneless Active Droplets, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.4c02823
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Okinawa Institute of Science and Technology
