I chimici dei polimeri e gli scienziati dei materiali hanno ottenuto alcuni notevoli progressi che imitano la natura, ma una delle caratteristiche più comuni e pratiche delle cellule è stata finora fuori portata:la compartimentazione intracellulare. Si riferisce al modo in cui molti diversi organelli, vescicole e altre strutture morbide "acqua nell'acqua" nella cellula, contenere e isolare reazioni e processi chimici. Consente inoltre di condividere selettivamente i prodotti di reazione con gli utenti finali all'interno della cella.

Ora un gruppo di ricerca guidato da Thomas Russell presso l'Università del Massachusetts Amherst e il Lawrence Berkeley National Laboratory, con il ricercatore post-dottorato Ganhua Xie e altri, descrivono in un nuovo articolo come sfruttano le differenze di carica elettrica per creare un "tutto acquoso, " Costrutto acqua-in-acqua che realizza la compartimentazione in un sistema sintetico.

"I nostri risultati indicano nuove opportunità per manipolare e migliorare la separazione continua e le reazioni compartimentate. Sento che abbiamo sviluppato una strategia per imitare il comportamento delle cellule viventi, " osserva Russell. "Le persone hanno già provato a costruire sistemi sintetici che imitassero la natura e non l'hanno fatto, ma noi abbiamo. Penso che questa sia la prima volta che questo viene dimostrato." I dettagli appaiono nell'attuale numero di chimica .

Evan Runnerstrom, responsabile del programma in progettazione dei materiali presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, che ha sostenuto questo lavoro con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dice, "Questa capacità di programmare una struttura stabile e una funzionalità chimica in sistemi completamente acquosi, rispettosi dell'ambiente e biocompatibili, fornirà potenzialmente capacità future senza precedenti per l'esercito. Le conoscenze generate da questo progetto potrebbero essere applicabili alle future tecnologie per le batterie completamente liquide. , purificazione dell'acqua o trattamento delle ferite e somministrazione di farmaci sul campo".

Russell e colleghi si sono interessati alle interfacce liquide per diversi anni e in precedenza hanno condotto molti esperimenti su olio e acqua per osservare i risultati in varie condizioni. "Questo ci ha portato a iniziare a guardare alle interfacce liquido acqua-in-acqua, " fa notare.

Per questo lavoro, Xie ha usato due soluzioni acquose polimeriche, uno di polietilenglicole (PEG) e acqua, l'altro destrano e acqua, con diverse cariche elettriche; possono essere combinati ma non mescolati. È un "classico esempio" di coacervazione, suggeriscono:la soluzione subisce una separazione di fase liquido-liquido e forma due domini separati, come la cera e l'acqua che non si mescolano in una lampada di lava.

Prossimo, Xie ha usato un ago per inviare un getto ad alta velocità della soluzione destrano più acqua nella soluzione PEG più acqua, qualcosa che Russell chiama "stampa 3D acqua nell'acqua". Questa operazione crea un tubulo acquoso o pieno d'acqua stabilizzato con membrana coacervato in cui la lunghezza del percorso del tubo può essere lunga chilometri, lui dice. Questa stampa 3D acqua su acqua forma uno strato membranoso di un coacervato che separa le due soluzioni.

Un'altra caratteristica del tubo dell'acqua formato in questo modo è che la carica elettrica regola se e in quale direzione un materiale può passare attraverso la membrana coacervata, spiegano gli autori. Un colorante caricato negativamente o un'altra molecola può passare solo attraverso una parete caricata negativamente della membrana asimmetrica, e allo stesso modo per i materiali caricati positivamente. Xie dice, "Forma effettivamente un diodo, un cancello unilaterale. Possiamo fare una reazione all'interno di questo tubo o sacca che genererà una molecola carica positivamente che può diffondersi solo nella fase positiva attraverso il coacervato".

Aggiunge, "Se progettiamo bene il sistema, possiamo separare facilmente le cose a pagamento, quindi può essere utilizzato per i mezzi di separazione in sistemi di reazione compartimentati completamente acquosi. Possiamo anche innescare una reazione che consentirà una cascata di reazioni coordinate, proprio come accade nei nostri corpi."

Xie spiega che la stampa 3D acqua su acqua consente loro di dirigere dove mettono questi domini. "Possiamo costruire strutture multistrato con strati positivi/negativi/positivi. Possiamo usare quelli a forma di sacco come camere di reazione, " dice. I vantaggi della separazione di funzioni e materiali nelle cellule mediante la compartimentazione includono il fatto che molti processi si verifichino contemporaneamente, molti ambienti chimici diversi per coesistere e componenti altrimenti incompatibili per lavorare fianco a fianco.

Tra gli altri test ed esperimenti, i ricercatori riferiscono di come hanno progettato un sistema tubolare completamente acquoso e hanno attaccato aghi e pompe a siringa a ciascuna estremità per consentire all'acqua di pompare attraverso l'intera struttura senza perdite, creando un sistema di reazione coordinato a flusso continuo.

"Una volta che l'abbiamo fatto, abbiamo esaminato il mimetismo biologico", dice Russell. "Ci sono stati molti sforzi per imitare i sistemi biologici, e un biologo potrebbe obiettare e dire che è troppo semplice. Ma penso che anche se si tratta di materiali semplici, Funziona. Sta camminando molto vicino al sistema vascolare, e imita qualsiasi luogo in cui le sostanze chimiche scorrono attraverso una membrana. È nel corpo? No, ma imita un vero processo metabolico, una reazione compartimentale».