Pour éviter une modification de la taille des microgouttelettes, les chercheurs ont tenté d’abaisser rapidement la température, mais ces efforts ne pourront jamais améliorer l’uniformité des gouttelettes. Si des gouttelettes homogènes uniformément disposées piégeant certains substrats tels que l'ADN et les médicaments peuvent être produites au cours d'une procédure simple, ces gouttelettes serviront d'éléments utiles dans l'administration de médicaments et également dans la création de cellules de synthèse. Cette auto-organisation des microgouttelettes peut fournir des informations précieuses sur l'auto-assemblage des molécules biologiques.

Dans une étude publiée dans la revue ACS Macro Letters une équipe de recherche dirigée par un doctorat. Mayu Shono, étudiante au Département de génie chimique et de science des matériaux de l'Université de Doshisha, a découvert que le motif spatial homogène des microgouttelettes est généré spontanément par séparation de phases d'une solution de polymère le long d'un tube capillaire en verre.

Fait intéressant, il a été démontré que la disposition uniforme des gouttelettes est plutôt stable pendant des heures. Les chercheurs ont confiné une solution aqueuse de tripolymère contenant du polyéthylène-glycol (PEG) mélangé à du dextrane (DEX) et de la gélatine dans un tube capillaire en verre recouvert de PEG. Ils ont observé qu'au fil du temps, les trois phases se sont séparées et que les gouttelettes de DEX et de gélatine se sont alignées selon un motif périodique dans la phase PEG.

L'auto-assemblage spontané s'est produit sans aucun échange de matériaux ou d'énergie dans le système, ce qui le distingue des autres systèmes. "Nous avons mené notre étude pour clarifier le mécanisme sous-jacent de l'auto-organisation dans la matière vivante. À la suite de cette étude, nous avons découvert un nouveau phénomène pour la génération de modèles caractéristiques auto-organisés", explique Mme Shono.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont préparé trois solutions aqueuses de tripolymère, combinant du PEG, du DEX et de la gélatine avec de l'eau distillée dans un rapport pondéral de 5:4:6.

Pour distinguer les molécules, ils ont marqué le DEX et la gélatine avec des marqueurs fluorescents. Ces marqueurs émettent une lumière de couleurs spécifiques lorsqu’ils sont exposés à une lumière de certaines longueurs d’onde, leur permettant d’identifier les différents composants de l’échantillon. La solution a ensuite été aspirée dans des tubes capillaires recouverts de PEG d'un diamètre de 140 μm et 280 μm.

En raison de son attachement préférentiel à la surface du capillaire, le PEG s’est immédiatement séparé de la solution. Les phases DEX et gélatine, qui ont été repoussées de la paroi interne, ont alors formé des gouttelettes dont la taille a augmenté.

En 40 secondes, les gouttelettes de DEX formaient une disposition linéaire au centre du capillaire, et 120 secondes plus tard, les gouttelettes de gélatine faisaient de même. Cela a conduit à un alignement périodique et auto-organisé de microgouttelettes riches en DEX et en gélatine entourées d'une phase riche en PEG, qui s'est maintenue pendant huit heures après la formation.

Les éléments essentiels du modèle observé sont reproduits par simulation numérique en modifiant le modèle théorique avec l'équation de Cahn-Hilliard, qui décrit le changement en fonction du temps du modèle spatial de séparation de phases dans un mélange de trois polymères différents.

Il est difficile d’obtenir des micromodèles stables grâce à des séparations de phases car, en général, les microgouttelettes générées par la transition de phase ne sont pas uniformes et ont tendance à s’effondrer ou à disparaître avec le temps. Cependant, en les confinant dans un capillaire avec une modification chimique appropriée de sa surface interne, les chercheurs ont pu préserver les motifs pendant de longues périodes.

"La nouvelle méthodologie décrite ici pour obtenir des gouttelettes uniformes est supérieure à la microfluidique actuelle à plusieurs égards", déclare Mme Shono.

À l’avenir, de tels micromodèles pourront être étudiés pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans l’auto-assemblage de molécules biologiques. En outre, cela peut contribuer au développement d'une administration ciblée de médicaments et à la production de macromolécules souhaitées, telles que des protéines et des nucléotides, à l'aide de protocellules.

Récemment, Mme Shono et ses collaborateurs ont publié un article dans la revue Small indiquant le piégeage sélectif réussi de l'ADN de la taille du génome dans des gouttelettes homogènes et disposées.

Mme Shono conclut :« Ce scénario de formation de motifs couplé à une séparation de phases sous confinement peut fournir un nouveau point de vue pour découvrir les facteurs cachés de l'origine de la vie et également révéler le mécanisme sous-jacent à la stabilité de la structure et de la fonction de la membrane. moins d'organites dans les cellules vivantes."