Les chimistes des polymères et les scientifiques des matériaux ont réalisé des progrès notables qui imitent la nature, mais l'une des caractéristiques les plus courantes et les plus pratiques des cellules a été jusqu'à présent hors de portée :la compartimentation intracellulaire. Il fait référence à la façon dont de nombreux organites différents, vésicules et autres structures molles « eau dans eau » dans la cellule, contenir et isoler les réactions et processus chimiques. Il permet également de partager sélectivement les produits de réaction avec les utilisateurs finaux à l'intérieur de la cellule.

Maintenant une équipe de recherche dirigée par Thomas Russell à l'Université du Massachusetts Amherst et au Lawrence Berkeley National Laboratory, avec le chercheur postdoctoral Ganhua Xie et d'autres, décrivent dans un nouvel article comment ils tirent parti des différences de charge électrique pour créer un "tout aqueux, " Construction eau-dans-eau qui réalise la compartimentation dans un système synthétique.

"Nos résultats indiquent de nouvelles opportunités pour manipuler et améliorer la séparation continue et les réactions compartimentées. Je pense que nous avons développé une stratégie pour imiter le comportement des cellules vivantes, " note Russell. " Les gens ont déjà essayé de construire des systèmes synthétiques qui imitent la nature et ne l'ont pas fait, mais nous avons. Je pense que c'est la première fois que cela est démontré. Chimie .

Evan Runnerström, responsable de programme en conception de matériaux à l'Army Research Office, qui a soutenu ce travail avec le département américain de l'Énergie, dit, "Cette capacité à programmer une structure stable et une fonctionnalité chimique dans des systèmes tout aqueux qui sont respectueux de l'environnement et biocompatibles fournira potentiellement des capacités futures sans précédent pour l'armée. Les connaissances générées par ce projet pourraient être applicables aux futures technologies pour les batteries tout liquide , purification de l'eau ou traitement des plaies et administration de médicaments sur le terrain."

Russell et ses collègues s'intéressent aux interfaces liquides depuis plusieurs années et ont mené auparavant de nombreuses expériences sur le pétrole et l'eau pour observer les résultats dans diverses conditions. "Cela nous a conduit à commencer à regarder les interfaces liquides eau-dans-eau, " note-t-il.

Pour ce travail, Xie a utilisé deux solutions aqueuses de polymère, l'un parmi le polyéthylène glycol (PEG) et l'eau, l'autre du dextrane et de l'eau, avec différentes charges électriques; ils peuvent être combinés mais ne se mélangent pas. C'est un "exemple classique" de coacervation, ils suggèrent-la solution subit une séparation de phase liquide-liquide et forme deux domaines séparés, comme la cire et l'eau qui ne se mélangent pas dans une lampe à lave.

Prochain, Xie a utilisé une aiguille pour envoyer un jet à grande vitesse de la solution de dextrane-plus-eau dans la solution de PEG-plus-eau, ce que Russell appelle "l'impression 3D eau-dans-eau". Cette opération crée un tubule aqueux ou rempli d'eau stabilisé par une membrane coacervatée où la longueur de trajet du tube peut atteindre des kilomètres de long, il dit. Cette impression 3D eau sur eau forme une couche membraneuse d'un coacervat qui sépare les deux solutions.

Une autre caractéristique du tube d'eau formé de cette manière est que la charge électrique régule si et dans quelle direction un matériau peut traverser la membrane de coacervat, expliquent les auteurs. Un colorant chargé négativement ou une autre molécule ne peut traverser qu'une paroi chargée négativement de la membrane asymétrique, et de même pour les matériaux chargés positivement. Xie dit, "Il forme effectivement une diode, une porte unilatérale. Nous pouvons faire une réaction à l'intérieur de ce tube ou sac qui générera une molécule chargée positivement qui ne pourra diffuser dans la phase positive qu'à travers le coacervat."

Il ajoute, "Si nous concevons le système correctement, nous pouvons séparer les choses facilement par charge, il peut donc être utilisé pour des séparations dans des systèmes réactionnels tout aqueux compartimentés. Nous pouvons également déclencher une réaction qui permettra une cascade de réactions coordonnée, comme cela se passe dans notre corps."

Xie explique que l'impression 3D eau sur eau leur permet de diriger où ils mettent ces domaines. "Nous pouvons construire des structures multicouches avec des couches positives/négatives/positives. Nous pouvons utiliser celles en forme de sac comme chambres de réaction, ", dit-il. Les avantages de séparer les fonctions et les matériaux dans les cellules par compartimentation comprennent le fait de permettre à de nombreux processus de se produire à la fois, de nombreux environnements chimiques différents coexistent et des composants autrement incompatibles fonctionnent côte à côte.

Entre autres tests et expériences, les chercheurs expliquent comment ils ont conçu un système tubulaire entièrement aqueux et des aiguilles et des pompes à seringue fixées à chaque extrémité pour permettre à l'eau de pomper à travers toute la structure sans fuite, créer un système de réaction coordonné à écoulement continu.

"Une fois que nous l'avons fait, nous avons examiné le mimétisme biologique ", dit Russell. " Il y a eu beaucoup d'efforts pour imiter les systèmes biologiques, et un biologiste pourrait objecter et dire que c'est trop simple. Mais je pense que même s'il s'agit de matériaux simples, Ça marche. Il marche très près du système vasculaire, et il imite n'importe quel endroit où les produits chimiques s'écoulent à travers une membrane. Est-ce dans le corps ? Non, mais il imite un vrai processus métabolique, une réaction compartimentée."