Los químicos de polímeros y los científicos de materiales han logrado algunos avances notables que imitan la naturaleza, pero una de las características más comunes y prácticas de las células ha estado fuera de su alcance hasta ahora:la compartimentación intracelular. Se refiere a la forma en que muchos orgánulos diferentes, vesículas y otras estructuras blandas "agua en agua" en la célula, contener y aislar reacciones y procesos químicos. También permite que los productos de reacción se compartan de forma selectiva con los usuarios finales dentro de la celda.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por Thomas Russell en la Universidad de Massachusetts Amherst y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, con el investigador postdoctoral Ganhua Xie y otros, describen en un nuevo artículo cómo aprovechan las diferencias en la carga eléctrica para crear un "todo acuoso, "construcción de agua en agua que logra la compartimentación en un sistema sintético.

"Nuestros resultados apuntan a nuevas oportunidades para manipular y mejorar la separación continua y las reacciones compartimentadas. Creo que hemos desarrollado una estrategia para imitar el comportamiento de las células vivas, "Señala Russell." La gente ha intentado antes construir sistemas sintéticos que imiten la naturaleza y no lo ha hecho, pero tenemos. Creo que es la primera vez que se demuestra esto ". Los detalles aparecen en la edición actual de Chem .

Evan Runnerstrom, gerente de programa en diseño de materiales en la Oficina de Investigación del Ejército, que apoyó este trabajo con el Departamento de Energía de EE. UU., dice, "Esta capacidad para programar una estructura estable y funcionalidad química en sistemas totalmente acuosos que sean ecológicos y biocompatibles proporcionará potencialmente capacidades futuras sin precedentes para el Ejército. El conocimiento generado por este proyecto podría ser aplicable a tecnologías futuras para baterías totalmente líquidas. , purificación de agua o tratamiento de heridas y suministro de fármacos en el campo ".

Russell y sus colegas han estado interesados ​​en las interfaces líquidas durante varios años y anteriormente realizaron muchos experimentos de aceite y agua para observar los resultados en diversas condiciones. "Esto nos llevó a empezar a buscar interfaces de agua en agua líquida, ", señala.

Por este trabajo, Xie usó dos soluciones acuosas de polímero, uno de polietilenglicol (PEG) y agua, el otro dextrano y agua, con diferentes cargas eléctricas; se pueden combinar pero no mezclar. Es un "ejemplo clásico" de coacervación, sugieren:la solución se somete a una separación de fase líquido-líquido y forma dos dominios separados, como la cera y el agua que no se mezclan en una lámpara de lava.

Próximo, Xie usó una aguja para enviar un chorro de alta velocidad de la solución de dextrano más agua a la solución de PEG más agua, algo que Russell llama "impresión 3D de agua en agua". Esta operación crea un túbulo acuoso o lleno de agua estabilizado con membrana coacervada donde la longitud de la trayectoria del tubo puede ser de kilómetros de largo, él dice. Esta impresión 3-D de agua sobre agua forma una capa membranosa de un coacervado que separa las dos soluciones.

Otra característica del tubo de agua formado de esta manera es que la carga eléctrica regula si y en qué dirección un material puede pasar a través de la membrana coacervada. explican los autores. Un tinte u otra molécula cargada negativamente solo puede atravesar una pared cargada negativamente de la membrana asimétrica, e igualmente para materiales cargados positivamente. Xie dice:"Forma efectivamente un diodo, una puerta de un solo lado. Podemos hacer una reacción dentro de este tubo o saco que generará una molécula cargada positivamente que solo puede difundirse en la fase positiva a través del coacervado ".

Él añade, "Si diseñamos el sistema correctamente, podemos separar las cosas fácilmente mediante un cargo, por lo que se puede utilizar para medios de separación en sistemas de reacción compartimentados totalmente acuosos. También podemos desencadenar una reacción que permitirá una cascada de reacciones coordinada, tal como sucede en nuestros cuerpos ".

Xie explica que la impresión 3-D de agua sobre agua les permite indicar dónde colocan estos dominios. "Podemos construir estructuras de varias capas con capas positivas / negativas / positivas. Podemos utilizar las en forma de saco como cámaras de reacción, ", dice. Las ventajas de separar funciones y materiales en las células mediante la compartimentación incluyen permitir que se produzcan muchos procesos a la vez, muchos entornos químicos diferentes para coexistir y componentes incompatibles de otro modo para trabajar uno al lado del otro.

Entre otras pruebas y experimentos, Los investigadores informan sobre cómo diseñaron un sistema tubular totalmente acuoso y colocaron agujas y bombas de jeringa en cada extremo para permitir que el agua bombee a través de toda la estructura sin fugas. creando un sistema de reacción coordinado de flujo continuo.

"Una vez que lo hicimos, observamos el mimetismo biológico ", dice Russell." Ha habido muchos esfuerzos para imitar sistemas biológicos, y un biólogo podría objetar y decir que esto es demasiado simple. Pero creo que, aunque se trata de materiales sencillos, funciona. Está pisando muy cerca de la vasculatura, e imita cualquier lugar donde los productos químicos fluyan a través de una membrana. ¿Está en el cuerpo? No, pero imita un proceso metabólico real, una reacción compartimental ".