La taille des cellules régule la séparation moléculaire

Solution aqueuse de deux polymères (rouge et vert) dans un tube à essai et dans des cellules artificielles de tailles différentes. Dans le tube à essai, la solution est mélangée de manière homogène, mais dans la petite cellule artificielle, la solution se sépare en deux phases. Crédit :© 2022 Yanagisawa et al, Lettres de matériaux ACS (2022). DOI :10.1021/acsmaterialslett.2c00404

De nouvelles recherches montrent que la taille des cellules et les membranes peuvent jouer un rôle clé dans la régulation de la distribution des molécules à l'intérieur des cellules. Cette découverte offre une nouvelle méthode non conventionnelle pour manipuler les cellules artificielles via leur taille et leurs propriétés interfaciales, ou leurs limites, plutôt que par la modification moléculaire de leur structure chimique. Cela pourrait aider de nombreuses industries, des cosmétiques aux produits pharmaceutiques, qui souhaitent éviter des modifications inattendues des propriétés des cellules artificielles dans leurs produits, comme lors de la création de nouveaux médicaments comme les vaccins.

Les cellules artificielles peuvent être de petites bouées de sauvetage, comme le vaccin à ARNm COVID-19. Ces merveilles d'ingénierie peuvent être conçues pour imiter les fonctions des cellules biologiques et effectuer toutes sortes de tâches, qu'il s'agisse d'"enseigner" à nos propres cellules comment réagir à un virus, de faire pousser de la peau artificielle pour tester des cosmétiques ou de fabriquer des conservateurs alimentaires.

Cependant, la création et la manipulation de ces cellules s'accompagnent de nombreux défis. "Ces dernières années, des cellules artificielles contenant des solutions (ou des mélanges) de molécules à plusieurs composants ont été utilisées dans des produits cosmétiques et pharmaceutiques. Bien que ces solutions ne se séparent pas dans des tubes à essai, elles se séparent parfois dans des cellules artificielles, ce qui était problématique pour les applications", a expliqué Professeur associé Miho Yanagisawa de la Graduate School of Arts and Sciences de l'Université de Tokyo.

Cette séparation, appelée séparation de phase liquide-liquide (LLPS), est apparue comme un mécanisme fondamental de régulation de l'activité biologique des organismes vivants. Cependant, le type de biomolécules qui se séparent et les conditions dans lesquelles cela se produit ne sont pas encore pleinement compris. Cette dernière recherche publiée dans ACS Materials Letters fournit des informations indispensables.

De gauche à droite :l'image de transmission, l'image fluorescente du polymère A, l'image fluorescente du polymère B et leur image composite. Les diamètres des cellules artificielles sont de 13 micromètres (i), 18 micromètres (ii, iii) et 28 micromètres (iv). La séparation de phase est observée dans les petites cellules artificielles (i-iii), mais pas dans la grande cellule artificielle (iv). Crédit :© 2022 Yanagisawa et al, Lettres de matériaux ACS (2022). DOI :10.1021/acsmaterialslett.2c00404

« Conventionnellement, les conditions de séparation et le degré de séparation étaient considérés comme indépendants de la taille, tant que la taille du récipient était d'environ 1 micromètre, ou micron (un millième de millimètre), ou plus », a déclaré Yanagisawa. Cependant, une découverte surprenante de cette recherche est que plus la cellule artificielle est petite, plus le degré de séparation est élevé.

L'idée d'un comportement dépendant de la taille des cellules a été suggérée en 2012, mais les détails de ce phénomène sont restés flous. L'équipe de l'Université de Tokyo a réalisé des expériences à plusieurs échelles en utilisant des gouttelettes de tailles différentes de deux polymères (court, polyéthylène glycol (PEG) et long, dextrane) dans des mélanges contenus dans une membrane lipidique pour créer des cellules artificielles de différentes tailles.

"A partir de telles expériences, nous avons réalisé que la membrane détecte de légères différences entre les molécules et sélectionne la molécule préférée, qui est à l'origine du comportement dépendant de la taille des cellules. C'était le point culminant majeur de l'étude", a expliqué Yanagisawa. "Nous pensons que cette découverte offre une nouvelle méthode de manipulation des matériaux via la taille de l'espace et les propriétés interfaciales des conteneurs de cellules artificielles. Cette idée est assez différente des méthodes conventionnelles par la manipulation des structures moléculaires."

Yanagisawa dit:"Il y a principalement deux directions pour la prochaine étape :l'une est vers une compréhension physique et la formulation des effets de l'espace de la taille des cellules sur les comportements moléculaires ; une autre est vers les applications pharmaceutiques et cosmétiques, en utilisant les cellules artificielles compte tenu de la cellule- effet de taille." + Explorer plus loin