La ricerca di ITMO suggerisce di utilizzare particelle simili a ricci controllate da un campo magnetico per accelerare le reazioni chimiche nelle cellule. Questa nuova tecnologia consentirà loro di aumentare la permeabilità della membrana cellulare e allo stesso tempo preservare la struttura iniziale della cellula. Ciò può semplificare la somministrazione della sostanza e aumentare il tasso di biocatalisi. La ricerca è stata pubblicata su Journal of Physical Chemistry Letters .

Per trasformare una sostanza in un'altra, è necessario infiltrarsi in un sistema biologico, come una cellula, con un substrato, una sostanza chimica che può avviare una serie di reazioni. In conseguenza di queste reazioni, si crea un prodotto che può essere utilizzato nelle successive trasformazioni chimiche sia all'interno delle cellule stesse sia nella fabbricazione di cure mediche o prodotti alimentari. La principale difficoltà nel controllare i processi biocatalitici delle cellule è il fatto che le membrane cellulari limitano la velocità di diffusione o la penetrazione delle cellule da parte del substrato.

"Possiamo aumentare la permeabilità della membrana cellulare per superare questa barriera. Spesso, a tale scopo vengono utilizzate varie sostanze chimiche. Però, quelli possono essere piuttosto tossici e difficili da controllare, mentre altri metodi possono causare danni permanenti alla struttura della cellula, " spiega Daniil Kladko, uno studente di Master presso SCAMT e uno degli autori del documento.

I ricercatori dell'ITMO hanno utilizzato la reazione biochimica della fermentazione dell'etanolo per dimostrare che la permeabilità della membrana può essere aumentata e, quindi, la biocatalisi può essere controllata utilizzando speciali particelle simili a ricci dirette da un campo magnetico. Queste particelle hanno preso il nome dalle punte acuminate sulla loro superficie che le fanno sembrare ricci di mare. Il lievito di birra è stato scelto come organismo modello per l'esperimento.

Per trasformare il substrato (glucosio) in alcool usando il lievito, i ricercatori hanno prima aggiunto le particelle simili a ricci alla miscela, poi incubato, e lo collocò in un assetto magnetico in grado di sottoporlo a un campo magnetico alternato di una frequenza specificata, intensità, e direzione. I ricercatori sono stati in grado di permeare la membrana e fornire il substrato all'interno della cellula senza disturbare la sua struttura o le sue capacità vitali. Inoltre, si è scoperto che il processo può essere controllato accendendo e spegnendo il campo magnetico.

"Un campo magnetico rotante fa ruotare il lievito e le particelle simili a ricci attorno al proprio asse, che fa sì che il "riccio" interagisca con la membrana:trasforma l'energia del campo magnetico in stress meccanico sulla membrana. Così, quando è sulla membrana, crea un momento di forza, permettendo alla membrana di aprirsi. Il tempo e la frequenza giocano un ruolo importante in questo esperimento. Abbiamo bisogno che il campo lavori e 'tiri' la membrana per un po' di tempo, perché è ancora una struttura notevolmente densa nonostante la sua apparente fragilità, "dice Daniil Kladko.

La tecnologia risultante può essere applicata in vari campi:ad esempio, produzione alimentare, industria farmaceutica, e biotecnologie. Ad esempio, quando si lavora con il lievito, l'accelerazione della biocatalisi con un campo magnetico consentirebbe di ridurre i prezzi di produzione del lievito e quindi aumentare il numero di prodotti a base di lievito sul mercato. Lo stesso vale per i farmaci basati sulla biosintesi, poiché il nuovo metodo aumenterà i loro volumi di produzione e abbasserà il loro prezzo di mercato.