Per prevenire il cambiamento della dimensione delle microgocce, i ricercatori hanno tentato di abbassare rapidamente la temperatura, ma questi sforzi non sono mai riusciti a migliorare l’uniformità delle goccioline. Se si potessero produrre con una procedura semplice goccioline omogenee disposte uniformemente che intrappolano determinati substrati come il DNA e i medicinali, queste goccioline servirebbero come elementi utili nella somministrazione dei farmaci e anche nella creazione di cellule di sintesi. Questa auto-organizzazione delle microgocce può fornire preziose informazioni sull'autoassemblaggio delle molecole biologiche.

In uno studio pubblicato sulla rivista ACS Macro Letters un gruppo di ricerca guidato da Ph.D. Lo studente Mayu Shono del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università di Doshisha, ha scoperto che lo schema spaziale omogeneo delle microgoccioline viene generato spontaneamente attraverso la separazione di fase della soluzione polimerica lungo un tubo capillare di vetro.

È interessante notare che è stato dimostrato che la disposizione uniforme delle goccioline è piuttosto stabile per ore. I ricercatori hanno confinato una soluzione acquosa di tripolimero contenente polietilenglicole (PEG) miscelato con destrano (DEX) e gelatina in un tubo capillare di vetro rivestito con PEG. Hanno osservato che nel tempo le tre fasi si separavano e le goccioline di DEX e gelatina si allineavano secondo uno schema periodico nella fase PEG.

La disposizione spontanea di autoassemblaggio è avvenuta senza alcuno scambio di materiali o energia nel sistema, distinguendolo dagli altri sistemi. "Abbiamo condotto il nostro studio per chiarire il meccanismo alla base dell'autorganizzazione nella materia vivente. Come risultato di questo studio, abbiamo scoperto un nuovo fenomeno per la generazione di modelli caratteristici auto-organizzati", afferma la signora Shono.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno preparato tre soluzioni acquose di tripolimeri, combinando PEG, DEX e gelatina con acqua distillata in un rapporto in peso 5:4:6.

Per distinguere le molecole, hanno etichettato il DEX e la gelatina con marcatori fluorescenti. Questi marcatori emettono luce di colori specifici quando esposti alla luce di determinate lunghezze d'onda, consentendo loro di identificare i diversi componenti del campione. La soluzione è stata quindi aspirata in tubi capillari rivestiti con PEG con diametri di 140 μm e 280 μm.

A causa dell'attaccamento preferenziale alla superficie del capillare, il PEG si separa immediatamente dalla soluzione. Le fasi DEX e gelatina, che venivano respinte dalla parete interna, formavano quindi goccioline che aumentavano di dimensioni.

In 40 secondi, le goccioline di DEX hanno formato una disposizione lineare al centro del capillare e 120 secondi dopo, le goccioline di gelatina hanno fatto lo stesso. Ciò ha portato a un allineamento periodico e auto-organizzato di microgocce ricche di DEX e gelatina circondate da una fase ricca di PEG, che si è mantenuto per otto ore dopo la formazione.

Gli elementi essenziali del modello osservato vengono riprodotti attraverso la simulazione numerica modificando il modello teorico con l'equazione di Cahn-Hilliard, che descrive il cambiamento dipendente dal tempo del modello spaziale della separazione di fase in una miscela di tre diversi polimeri.

Ottenere micromodelli stabili attraverso le separazioni di fase è impegnativo, perché, in generale, le microgocce generate attraverso la transizione di fase non sono uniformi e tendono a collassare o scomparire con il tempo. Tuttavia, confinandoli in un capillare con un'adeguata modifica chimica della sua superficie interna, i ricercatori sono riusciti a preservare i modelli per lunghi periodi.

"La nuova metodologia per ottenere goccioline uniformi qui riportata è superiore all'attuale microfluidica sotto diversi aspetti", afferma la signora Shono.

In futuro, tali micromodelli potranno essere studiati per fornire informazioni sui meccanismi coinvolti nell’autoassemblaggio delle molecole biologiche. Inoltre, può aiutare nello sviluppo della somministrazione mirata di farmaci e nella produzione delle macromolecole desiderate, come proteine ​​e nucleotidi utilizzando protocellule.

Recentemente, la signora Shono insieme ai suoi collaboratori ha pubblicato un articolo sulla rivista Small indicando il successo dell'intrappolamento selettivo del DNA delle dimensioni di un genoma nelle goccioline omogenee e disposte.

La signora Shono conclude:"Questo scenario per la formazione di modelli accoppiato con la separazione di fase sotto confinamento può fornire un nuovo punto di vista per scoprire i fattori nascosti per l'origine della vita e anche per rivelare il meccanismo sottostante sulla stabilità della struttura e della funzione della membrana- meno organelli nelle cellule viventi."