_ Picăturile sintetice provoacă agitație supa primordială: cercetările în chimiotaxis răspund la întrebări despre mișcarea biologică

Corpul nostru este alcătuit din trilioane de celule diferite, fiecare îndeplinind propria funcție unică de a ne menține în viață. Cum se mișcă celulele în interiorul acestor sisteme extrem de complicate? De unde știu ei unde să meargă? Și cum de s-au complicat atât de început? Întrebări simple, dar profunde, ca acestea sunt în centrul cercetării de bază bazate pe curiozitate, care se concentrează pe principiile fundamentale ale fenomenelor naturale. Un exemplu important este procesul prin care celulele sau organismele se mișcă ca răspuns la semnalele chimice din mediul lor, cunoscut și sub denumirea de chemotaxie.

Un grup de cercetători din trei unități de cercetare diferite de la Institutul de Știință și Tehnologie Okinawa (OIST) s-au reunit pentru a răspunde întrebărilor de bază despre chimiotaxie prin crearea de picături sintetice pentru a imita fenomenele din laborator, permițându-le să izoleze, să controleze și să studieze cu precizie fenomenele.

Rezultatele lor, care ajută la răspunsul la întrebările despre principiile mișcării în sistemele biologice simple, au fost publicate în Jurnalul Societății Americane de Chimie.

„Am arătat că este posibil ca picăturile de proteine ​​să migreze prin interacțiuni chimice simple”, spune Alessandro Bevilacqua. , Ph.D. student la Unitatea de inginerie și evoluție a proteinelor și co-primul autor al lucrării. Profesorul Paola Laurino, șef al unității și autor principal. Laurino adaugă că „au creat un sistem simplu care imită un fenomen foarte complex și care poate fi modulat prin activitatea enzimatică.”

Tensiuni la suprafață

În timp ce procesul de creare picăturile ar putea să nu sune ca cea mai complicată sarcină, mimând procesele biologice cât mai aproape de realitate, păstrând în același timp un control precis asupra tuturor variabilelor. Picăturile sintetice, fără membrană, conțin o concentrație foarte mare de proteină bovină BSA pentru a imita condițiile de aglomerație din interiorul celulelor, precum și ureaza, o enzimă care catalizează descompunerea ureei în amoniac.

Amoniacul este bazic, adică are o valoare ridicată a pH-ului. Pe măsură ce enzima catalizează treptat producția de amoniac, ea difuzează în soluție, creând un „halo” cu pH mai mare în jurul picăturii, care, la rândul său, le permite picăturilor să detecteze alte picături și să migreze unele către altele.

Cercetătorii au descoperit că cheia pentru înțelegerea chimiotaxiei picăturilor este gradientul de pH, deoarece facilitează efectul Marangoni, care descrie modul în care moleculele curg din zonele cu tensiune superficială ridicată către zone scăzute.

Tensiunea de suprafață este măsura energiei necesare pentru a menține împreună moleculele de la suprafață, cum ar fi lipiciul. Când pH-ul crește, acest adeziv slăbește, determinând răspândirea moleculelor și scăderea tensiunii superficiale, ceea ce, la rândul său, facilitează mișcarea moleculelor. Puteți vedea acest lucru adăugând săpun, care are un pH ridicat, la un capăt al unei căzi cu apă plată: apa va curge spre capăt cu săpun din cauza efectului Marangoni.

Atunci când două picături sintetice sunt suficient de aproape, halourile lor interacționează, ridicând pH-ul mediului dintre ei, ceea ce îi face să se miște împreună. Deoarece tensiunea superficială este încă puternică la capetele opuse ale picăturilor, acestea își păstrează forma până când suprafețele se ating, iar forțele de coeziune din interiorul picăturilor depășesc tensiunea superficială, făcându-le să se contopească. Deoarece picăturile mai mari produc mai mult amoniac și au o suprafață mai mare (care scade tensiunea superficială), ele atrag picături mai mici decât ele.

Colaborând la supa antică și biotehnologia viitoare.

Datorită dezvoltării acestor picături, cercetătorii au făcut progrese în răspunsul la întrebările de bază despre mișcarea biologică – și, făcând acest lucru, au dobândit o perspectivă asupra mișcării direcționate a celor mai timpurii forme de viață în primordial. supă cu miliarde de ani în urmă, precum și un avans în crearea de noi materiale inspirate din punct de vedere biologic.

Cunoștințele noastre despre viață așa cum arăta cu miliarde de ani în urmă sunt în cel mai bun caz neclare. O ipoteză proeminentă este că viața își are originea în oceane, pe măsură ce moleculele organice s-au asamblat treptat și au devenit mai sofisticate într-o „supă primordială” – iar acest lucru ar fi putut fi facilitat de chimiotaxie prin efectul Marangoni.

„Ar fi au fost benefice ca picăturile să aibă acest mecanism de migrare în scenariul ipotetic al originii vieții”, așa cum spune profesorul Laurino. Această migrare ar fi putut declanșa formarea unor căi metabolice primitive prin care enzimele catalizează o varietate de substanțe care în cele din urmă produc un gradient chimic care conduce picăturile împreună, conducând la comunități mai mari și mai sofisticate.

De asemenea, cercetarea arată mai departe. în timp, oferind piste în noile tehnologii. „Un exemplu este crearea de materiale receptive inspirate din biologie”, sugerează Alessandro Bevilacqua. „Am arătat cum picăturile simple pot migra datorită unui gradient chimic. O aplicație viitoare a acestui lucru ar putea fi tehnologiile care simt sau reacționează la gradienți chimici, de exemplu în micro-robotică sau livrarea de medicamente.”

The proiectul a început în timpul pandemiei de coronavirus, când un membru al Unității de Inginerie și Evoluție a Proteinelor se afla în carantină cu un membru al Unității Fluide și Fluxuri Complexe. Cei doi au început să vorbească și, deși cele două unități sunt din două domenii disparate - biochimie și, respectiv, mecanică - proiectul a evoluat în tandem. În cele din urmă, membrii Unității de Micro/Bio/Nanofluidics s-au alăturat proiectului cu măsurători sofisticate ale tensiunii superficiale a picăturilor.

Mediul unic de cercetare non-disciplinară de la OIST a catalizat colaborarea. După cum spune profesorul Laurino, „Acest proiect nu ar fi putut exista niciodată dacă am fi fost despărțiți de departamente. Nu a fost o colaborare ușoară, pentru că ne comunicăm domeniul în moduri foarte diferite, dar faptul că suntem aproape fizic a făcut-o mult mai ușor.”

Alessandro Bevilacqua adaugă: „Factorul cafea a fost foarte important. Capacitatea de a sta cu alți membri ai unității a făcut procesul mult mai rapid și mai productiv”. Cooperarea lor nu se oprește aici – mai degrabă, această lucrare este începutul unui parteneriat fructuos între cele trei unități.

„Vedem multă sinergie în munca noastră și lucrăm eficient și eficient împreună. Nu văd un motiv pentru care să ne oprim”, spune profesorul Laurino. Datorită eforturilor combinate ale celor trei unități, cunoaștem acum mai multe despre mișcările minuscule ale vieții la scara cea mai mică, cea mai timpurie și, probabil, viitoare.

(Fluierul)