Princeton-forskare har lärt sig att utnyttja den snälla byggnadsställningen som upprätthåller strukturen hos levande celler och använt den för att utveckla en nanoteknologiplattform. Tekniken kan så småningom leda till framsteg inom mjuk robotik, nya mediciner och utveckling av syntetiska system för biomolekylär transport med hög precision.
I en artikel, "Building on-chip cytoskeletal circuits via branched microtubule networks" publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , visade forskarna en metod som tillåter dem att exakt kontrollera tillväxten av biopolymernätverk som de som utgör en del av cellskelettet. De kunde bygga dessa nätverk på ett mikrochip och bilda en typ av krets som arbetar med kemiska, snarare än elektriska, signaler.
Inuti celler bildar tubulinproteiner långa, otroligt tunna stavar som kallas mikrotubuli. Nätverk av mikrotubuli växer som trädrötter till förgreningssystem som bildar ett primärt element i cytoskelettet, vilket ger celler sin form och gör det möjligt för dem att dela sig.
Förutom att hjälpa till att bibehålla en cells form, fungerar den mikrotubulära ställningen också som en molekylär järnväg. Specialiserade motorproteiner bär molekylära belastningar längs mikrotubulifilamenten. Små förändringar i mikrotubuliernas molekylära sammansättning fungerar som vägvisare för att justera kemikaliebärarnas kurser och skicka molekylära nyttolaster till sina destinationer.
På Princeton ledde frågor om dessa intracellulära nätverk till ett samarbete mellan Sabine Petry, en docent i molekylärbiologi, och Howard Stone, en professor i mekanik och rymdteknik som specialiserat sig på vätskemekanik.
"De biologiska systemen vi inspirerades av var axoner", säger Meisam Zaferani, en av de ledande forskarna. "Axoner är långa utsprång som kommer ut ur en neuron som tillåter riktad molekylär transport."
I nervsystemet fungerar mikrotubulinätverk både som strukturer som förbinder nervceller och som ett medel för nervsystemet att överföra kemiska signaler som producerar känsel. Zaferani sa att forskare fortfarande arbetar med att förstå delar av mikrotubulitillväxt och kemiska egenskaper. Men han sa att forskargruppen ville veta om de kunde utnyttja nätverken för praktiska tillämpningar.
"Ingenjörer och fysiker har börjat studera mikrotubuli som komponenter för att bygga nya material och teknologier," sa han. "Det finns många mysterier om deras grundläggande egenskaper, men vi vet tillräckligt för att börja fundera på hur vi skulle kunna konstruera dessa system."
Tillsammans med medforskaren Ryungeun Song arbetade Zaferani för att skapa ett system för att kontrollera tillväxten av mikrotubuli i renrumslaboratoriet vid Princeton Materials Institute.
Med hjälp av specialiserad utrustning inom mikro/nanotillverkning och mikrofluidik kontrollerade forskarna tillväxten av mikrotubuligrenarna exakt. De kunde justera tillväxtens vinkel och riktning och kunde skapa mikrostrukturer där tillväxtriktningen för mikrotubuli reglerades.
Zaferani sa att Materials Institute erbjöd en unik blandning av utrustning och expertis som skulle vara svår att hitta någon annanstans.
Forskarna planerar att följa upp genom att styra kemisk last längs mikrotubuligrenarna. Målet är att bygga ett kontrollerbart kemikalietransportsystem. I en liknande ansträngning undersöker de också användningen av mikrotubulinätverk som ett verktyg som en mikropincett som utövar fysisk kraft på otroligt små föremål.
Petrys forskargrupp har länge samarbetat med Stone, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i maskin- och rymdteknik, i skärningspunkten mellan biologi och vätskedynamik. De anställde Song, en maskiningenjör som hade fokuserat på mikrofluidik i sitt examensarbete; och Zaferani, en biofysiker som hade studerat ledtrådarna som hjälper däggdjursspermier att navigera mot ett ägg.
Stone, som ofta samarbetar med kollegor inom ingenjörsvetenskap och naturvetenskap, sa att blandning av expertis från olika discipliner ofta leder till anmärkningsvärda resultat.
"Jag tycker att det är väldigt intressant att hitta problem som involverar vätskemekanik inom andra områden", sa han. "Ofta hittar jag ett ämne som är dåligt förstådd av forskarna på andra sidan och dåligt förstådd av mig själv, och tillsammans arbetar vi för att reda ut det."
Mer information: Meisam Zaferani et al, Byggande av cytoskelettkretsar på chip via grenade mikrotubulinätverk, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315992121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Princeton University
