Syntetiska protoceller kan fås att röra sig mot och bort från kemiska signaler, ett viktigt steg för utvecklingen av nya läkemedelsleveranssystem som kan rikta in sig på specifika platser i kroppen. Genom att belägga ytan på protocellerna med enzymer - proteiner som katalyserar kemiska reaktioner - kunde ett team av forskare vid Penn State kontrollera riktningen för protocellens rörelse i en kemisk gradient i en mikrofluidisk enhet. En artikel som beskriver forskningen publiceras den 18 november, 2019 i tidningen Naturens nanoteknik .

"Den futuristiska visionen är att få droger levererade av små "bots" som kan transportera drogen till den specifika plats där den behövs, " sade Ayusman Sen, Verne M. Willaman professor i kemi vid Penn State och ledaren för forskargruppen. "För närvarande, om du tar ett antibiotikum för en infektion i benet, det sprider sig i hela kroppen. Så, du måste ta en högre dos för att få tillräckligt med antibiotika till benet där det behövs. Om vi ​​kan kontrollera riktningsrörelsen hos ett läkemedelsleveranssystem, vi minskar inte bara mängden av läkemedlet som krävs utan kan också öka dess leveranshastighet."

Ett sätt att ta itu med kontrollerande riktning är att läkemedelsleveranssystemet känner igen och rör sig mot specifika kemiska signaler som kommer från infektionsplatsen, ett fenomen som kallas kemotaxi. Många organismer använder kemotaxi som en överlevnadsstrategi, för att hitta mat eller fly gifter. Tidigare arbete hade visat att enzymer genomgår kemotaktiska rörelser eftersom reaktionerna de katalyserar producerar energi som kan utnyttjas. Dock, det mesta av det arbetet hade fokuserat på positiv kemotaxi, rörelse mot en kemikalie. Tills nu, lite arbete hade gjorts med att titta på negativ kemotaxi. "Inställbar" kemotaxi - förmågan att kontrollera rörelseriktningen, mot och bort från olika kemiska signaler — hade aldrig påvisats.

Forskarna gör protoceller av samma storlek, små säckar som kallas liposomer som har samma komponenter som utgör naturliga celler. De kan sedan fästa olika enzymer till den yttre ytan av dessa protoceller. Enzymerna de använde för denna studie var katalas, ureas, och ATPas. Dessa enzymer omvandlar specifika reaktanter till produkter; katalas omvandlar till exempel väteperoxid till vatten och syre.

"Vi placerar de enzymbelagda liposomerna i en mikrofluidisk enhet som upprätthåller en gradient av antingen enzymets reaktant eller dess produkter, " sa Ambika Somasundar, en doktorand vid Penn State och den första författaren till tidningen. "Vi kan sedan mäta rörelsen av liposomerna mot eller bort från specifika kemikalier."

I sina experiment, katalasbelagda protoceller rörde sig mot sin reaktant, medan ureas-belagda protoceller rörde sig bort från sin reaktant. ATPas-belagda protoceller rörde sig både mot och bort från reaktanten, beroende på koncentrationen.

"För att effektivt leverera droger, du behöver två saker:förmågan att bära drogen och förmågan att exakt kontrollera rörelser, ", sa Sen. "Det inre av protocellerna som vi använder kan fyllas med en nyttolast och vi närmar oss nu att finkontrollera deras rörelse."

Förutom Sen och Somasundar, forskargruppen vid Penn State inkluderar Subhadip Ghosh, Farzad Mohajerani, Lynnicia N. Massenburg, Tinglu Yang, Paul S. Cremer, och Darrell Velegol. Forskningen finansierades av U.S. National Science Foundations Center for Chemomechanical Assembly.