Forskare vid universitetet i Basel har utvecklat ett exakt kontrollerbart system för att efterlikna biokemiska reaktionskaskader i celler. Med hjälp av mikrofluidteknik, de producerar miniatyrpolymerreaktionsbehållare utrustade med de önskade egenskaperna. Denna "cell på ett chip" är användbar inte bara för att studera processer i celler, men också för utveckling av nya syntetiska vägar för kemiska tillämpningar eller för biologiskt aktiva substanser inom medicin.

För att överleva, växa och dela, celler förlitar sig på en mängd olika enzymer som katalyserar många på varandra följande reaktioner. Med tanke på komplexiteten i processer i levande celler, det är omöjligt att avgöra när specifika enzymer är närvarande i vilka koncentrationer och vilka deras optimala proportioner är i förhållande till varandra. Istället, forskare använder mindre, syntetiska system som modeller för att studera dessa processer. Dessa syntetiska system simulerar uppdelningen av levande celler i separata fack.

Nära likhet med naturliga celler

Nu, teamet ledd av professorerna Cornelia Palivan och Wolfgang Meier från avdelningen för kemi vid universitetet i Basel har utvecklat en ny strategi för att producera dessa syntetiska system. Skriver i journalen Avancerade material , forskarna beskriver hur de skapar olika syntetiska miniatyrreaktionsbehållare, känd som vesiklar, som – som helhet – tjänar som modeller av en cell.

"Till skillnad från tidigare, detta är inte baserat på självmontering av vesikler, " förklarar Wolfgang Meier. "Snarare, vi har utvecklat effektiv mikrofluidisk teknologi för att producera enzymladdade vesiklar på ett kontrollerat sätt." Den nya metoden gör det möjligt för forskarna att justera storleken och sammansättningen av de olika vesiklerna så att olika biokemiska reaktioner kan ske inuti dem utan att påverka en en annan – som i de olika avdelningarna i en cell.

För att tillverka de önskade vesiklerna, forskaren matar in de olika komponenterna i små kanaler på ett kiselglaschip. På detta chip, alla mikrokanalerna möts i en korsning. Om villkoren är korrekt konfigurerade, detta arrangemang ger en vattenhaltig emulsion av likformiga polymerdroppar som bildas vid skärningspunkten.

Exakt kontroll

Polymermembranet i vesiklarna fungerar som ett yttre skal och omsluter en vattenlösning. Under produktionen, vesiklarna är fyllda med olika kombinationer av enzymer. Som förstaförfattaren Dr. Elena C. dos Santos förklarar, denna teknik ger några viktiga fördelar:"Den nyutvecklade metoden gör det möjligt för oss att producera skräddarsydda vesiklar och att exakt justera den önskade kombinationen av enzymer inuti."

Proteiner som ingår i membranet fungerar som porer och tillåter selektiv transport av föreningar in i och ut ur polymervesiklarna. Porstorlekarna är utformade för att tillåta passage av endast specifika molekyler eller joner, därigenom möjliggöra separata studier av cellulära processer som äger rum nära varandra i naturen.

"Vi kunde visa att det nya systemet erbjuder en utmärkt grund för att studera enzymatiska reaktionsprocesser, " förklarar Cornelia Palivan. "Dessa processer kan optimeras för att öka produktionen av en önskad slutprodukt. Vad mer, tekniken tillåter oss att undersöka specifika mekanismer som spelar en roll i metabola sjukdomar eller som påverkar reaktionen av vissa läkemedel i kroppen."

Arbetet stöddes av det schweiziska nanovetenskapsinstitutet vid universitetet i Basel, Swiss National Science Foundation och National Centre of Competence in Research "MSE—Molecular Systems Engineering."