Investigadores de la Universidad de Basilea han desarrollado un sistema controlable con precisión para imitar las cascadas de reacciones bioquímicas en las células. Usando tecnología de microfluidos, producen recipientes de reacción poliméricos en miniatura equipados con las propiedades deseadas. Esta 'celda en un chip' es útil no solo para estudiar procesos en células, pero también para el desarrollo de nuevas vías sintéticas para aplicaciones químicas o para sustancias biológicas activas en medicina.

Para poder sobrevivir, crecer y dividirse, las células dependen de una multitud de enzimas diferentes que catalizan muchas reacciones sucesivas. Dada la complejidad de los procesos en las células vivas, es imposible determinar cuándo están presentes enzimas específicas a qué concentraciones y cuáles son sus proporciones óptimas entre sí. En lugar de, los investigadores utilizan sistemas sintéticos como modelos para estudiar estos procesos. Estos sistemas sintéticos simulan la subdivisión de células vivas en compartimentos separados.

Estrecha similitud con las células naturales

Ahora, el equipo dirigido por los profesores Cornelia Palivan y Wolfgang Meier del Departamento de Química de la Universidad de Basilea ha desarrollado una nueva estrategia para producir estos sistemas sintéticos. Escribiendo en el diario Materiales avanzados , los investigadores describen cómo crean varios contenedores de reacción en miniatura sintéticos, conocidas como vesículas, que, en su conjunto, sirven como modelos de una célula.

"A diferencia del pasado, esto no se basa en el autoensamblaje de vesículas, "explica Wolfgang Meier." Más bien, Hemos desarrollado una tecnología de microfluidos eficiente para producir vesículas cargadas de enzimas de manera controlada ". El nuevo método permite a los investigadores ajustar el tamaño y la composición de las diferentes vesículas para que varias reacciones bioquímicas puedan tener lugar dentro de ellas sin influir en uno. otro, como en los diferentes compartimentos de una celda.

Para fabricar las vesículas deseadas, el científico alimenta los diversos componentes en pequeños canales en un chip de vidrio de silicio. En este chip todos los microcanales se unen en un cruce. Si las condiciones están configuradas correctamente, esta disposición produce una emulsión acuosa de gotitas de polímero de tamaño uniforme que se forman en el punto de intersección.

Control preciso

La membrana polimérica de las vesículas actúa como una capa exterior y encierra una solución acuosa. Durante la producción, las vesículas están llenas de diferentes combinaciones de enzimas. Como explica la primera autora, la Dra. Elena C. dos Santos, esta técnica ofrece algunas ventajas clave:"El método recientemente desarrollado nos permite producir vesículas hechas a medida y ajustar con precisión la combinación deseada de enzimas en el interior".

Las proteínas incorporadas a la membrana actúan como poros y permiten el transporte selectivo de compuestos dentro y fuera de las vesículas poliméricas. Los tamaños de los poros están diseñados para permitir el paso de solo moléculas o iones específicos, permitiendo así el estudio por separado de los procesos celulares que tienen lugar muy cerca unos de otros en la naturaleza.

"Pudimos demostrar que el nuevo sistema ofrece una base excelente para estudiar los procesos de reacción enzimática, "explica Cornelia Palivan." Estos procesos se pueden optimizar para impulsar la producción de un producto final deseado. Y lo que es más, la tecnología nos permite examinar mecanismos específicos que juegan un papel en las enfermedades metabólicas o que afectan la reacción de ciertos medicamentos en el cuerpo ".

El trabajo fue apoyado por el Swiss Nanocience Institute de la Universidad de Basilea, la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza y el Centro Nacional de Competencia en Investigación "MSE — Ingeniería de Sistemas Moleculares".