I ricercatori dell'Università di Basilea hanno sviluppato un sistema controllabile con precisione per imitare le cascate di reazioni biochimiche nelle cellule. Utilizzando la tecnologia microfluidica, producono contenitori di reazione polimerici in miniatura dotati delle proprietà desiderate. Questa "cella su un chip" è utile non solo per studiare i processi nelle cellule, ma anche per lo sviluppo di nuove vie sintetiche per applicazioni chimiche o per principi attivi biologici in medicina.

Per sopravvivere, crescere e dividere, le cellule si basano su una moltitudine di enzimi diversi che catalizzano molte reazioni successive. Data la complessità dei processi nelle cellule viventi, è impossibile determinare quando sono presenti enzimi specifici a quali concentrazioni e quali sono le loro proporzioni ottimali l'una rispetto all'altra. Anziché, i ricercatori usano più piccoli, sistemi sintetici come modelli per studiare questi processi. Questi sistemi sintetici simulano la suddivisione delle cellule viventi in compartimenti separati.

Stretta somiglianza con le cellule naturali

Ora, il team guidato dai professori Cornelia Palivan e Wolfgang Meier del Dipartimento di Chimica dell'Università di Basilea ha sviluppato una nuova strategia per la produzione di questi sistemi sintetici. Scrivere sul diario Materiale avanzato , i ricercatori descrivono come creano vari contenitori di reazione in miniatura sintetici, noto come vescicole, che, presi nel loro insieme, servono come modelli di una cellula.

"A differenza del passato, questo non si basa sull'autoassemblaggio delle vescicole, " spiega Wolfgang Meier. "Piuttosto, abbiamo sviluppato un'efficiente tecnologia microfluidica per produrre vescicole cariche di enzimi in modo controllato." Il nuovo metodo consente ai ricercatori di modificare le dimensioni e la composizione delle diverse vescicole in modo che al loro interno possano avvenire varie reazioni biochimiche senza influenzarne una un altro, come nei diversi compartimenti di una cellula.

Per produrre le vescicole desiderate, lo scienziato alimenta i vari componenti in minuscoli canali su un chip di silicio-vetro. Su questo chip, tutti i microcanali si uniscono in una giunzione. Se le condizioni sono configurate correttamente, questa disposizione produce un'emulsione acquosa di goccioline di polimero di dimensioni uniformi che si formano nel punto di intersezione.

Controllo preciso

La membrana polimerica delle vescicole funge da guscio esterno e racchiude una soluzione acquosa. Durante la produzione, le vescicole sono piene di diverse combinazioni di enzimi. Come spiega la prima autrice, la dott.ssa Elena C. dos Santos, questa tecnica offre alcuni vantaggi chiave:"Il metodo di nuova concezione ci consente di produrre vescicole su misura e di regolare con precisione la combinazione desiderata di enzimi all'interno".

Le proteine ​​incorporate nella membrana agiscono come pori e consentono il trasporto selettivo di composti dentro e fuori le vescicole polimeriche. Le dimensioni dei pori sono progettate per consentire il passaggio solo di molecole o ioni specifici, consentendo in tal modo lo studio separato dei processi cellulari che avvengono strettamente uno accanto all'altro in natura.

"Siamo stati in grado di dimostrare che il nuovo sistema offre una base eccellente per lo studio dei processi di reazione enzimatica, " spiega Cornelia Palivan. "Questi processi possono essere ottimizzati per aumentare la produzione del prodotto finale desiderato. Cosa c'è di più, la tecnologia ci consente di esaminare meccanismi specifici che svolgono un ruolo nelle malattie metaboliche o che influenzano la reazione di alcuni farmaci nel corpo".

Il lavoro è stato sostenuto dallo Swiss Nanoscience Institute dell'Università di Basilea, il Fondo nazionale svizzero per la scienza e il Centro nazionale di competenza nella ricerca "MSE—Ingegneria dei sistemi molecolari".