Le protocelle sintetiche possono essere fatte per avvicinarsi e allontanarsi dai segnali chimici, un passo importante per lo sviluppo di nuovi sistemi di somministrazione di farmaci che potrebbero colpire punti specifici del corpo. Rivestendo la superficie delle protocelle con enzimi, proteine ​​che catalizzano reazioni chimiche, un team di ricercatori della Penn State è stato in grado di controllare la direzione del movimento della protocella in un gradiente chimico in un dispositivo microfluidico. Un documento che descrive la ricerca appare il 18 novembre, 2019 sulla rivista Nanotecnologia della natura .

"La visione futuristica è quella di avere farmaci consegnati da piccoli 'bot' in grado di trasportare il farmaco nel luogo specifico in cui è necessario, " ha detto Ayusman Sen, il Verne M. Willaman Professor of Chemistry alla Penn State e il leader del gruppo di ricerca. "Attualmente, se prendi un antibiotico per un'infezione alla gamba, si diffonde in tutto il tuo corpo. Così, devi prendere una dose più alta per portare abbastanza antibiotico alla gamba dove è necessario. Se riusciamo a controllare il movimento direzionale di un sistema di somministrazione di farmaci, non solo riduciamo la quantità di farmaco necessaria, ma possiamo anche aumentarne la velocità di somministrazione".

Un modo per indirizzare la direzione del controllo è che il sistema di somministrazione del farmaco riconosca e si muova verso segnali chimici specifici provenienti dal sito di infezione, un fenomeno chiamato chemiotassi. Molti organismi usano la chemiotassi come strategia di sopravvivenza, per trovare cibo o sfuggire alle tossine. Lavori precedenti avevano dimostrato che gli enzimi subiscono un movimento chemiotattico perché le reazioni che catalizzano producono energia che può essere sfruttata. Però, la maggior parte di quel lavoro si era concentrato sulla chemiotassi positiva, movimento verso una sostanza chimica. Fino ad ora, poco lavoro era stato fatto guardando alla chemiotassi negativa. Chemiotassi "sintonizzabile":la capacità di controllare la direzione del movimento, avvicinarsi e allontanarsi da diversi segnali chimici, non era mai stato dimostrato.

I ricercatori realizzano protocelle di dimensioni uniformi, minuscole sacche chiamate liposomi che hanno gli stessi componenti che compongono le cellule naturali. Possono quindi attaccare diversi enzimi alla superficie esterna di queste protocelle. Gli enzimi che hanno usato per questo studio erano catalasi, ureasi, e ATPasi. Questi enzimi convertono reagenti specifici in prodotti; la catalasi, ad esempio, converte il perossido di idrogeno in acqua e ossigeno.

"Posizioniamo i liposomi rivestiti di enzima in un dispositivo microfluidico che mantiene un gradiente del reagente dell'enzima o dei suoi prodotti, " disse Ambika Somasundar, uno studente laureato alla Penn State e il primo autore dell'articolo. "Possiamo quindi misurare il movimento dei liposomi verso o lontano da sostanze chimiche specifiche".

Nei loro esperimenti, le protocelle rivestite di catalasi si sono mosse verso il loro reagente, mentre le protocelle rivestite di ureasi si sono allontanate dal loro reagente. Le protocellule rivestite di ATPasi si sono mosse sia verso che lontano dal reagente, a seconda della concentrazione.

"Per fornire farmaci in modo efficace, hai bisogno di due cose:la capacità di trasportare il farmaco e la capacità di controllare con precisione il movimento, " ha detto Sen. "L'interno delle protocelle che usiamo può essere riempito con un carico utile e ora ci stiamo avvicinando al controllo fine del loro movimento".

Oltre a Sen e Somasundar, il team di ricerca della Penn State include Subhadip Ghosh, Farzad Mohajerani, Lynnicia N. Massenburg, Tinglu Yang, Paul S. Cremer, e Darrell Velegol. La ricerca è stata finanziata dal Center for Chemomechanical Assembly della US National Science Foundation.