_ Schele celulare recablate pentru a fi microscopice căi ferate

Cercetătorii de la Princeton au învățat să exploateze schelele care mențin structura celulelor vii și au folosit-o pentru a dezvolta o platformă de nanotehnologie. Tehnica ar putea duce în cele din urmă la progrese în robotica soft, noi medicamente și dezvoltarea de sisteme sintetice pentru transportul biomolecular de înaltă precizie.

Într-un articol, „Building on-chip cytoscheletal circuits via ramified microtubuli networks” publicate în Proceedings of the National Academy of Sciences, cercetătorii au demonstrat o metodă care le permite să controleze cu precizie creșterea rețelelor de biopolimeri precum cele care fac parte din scheletul celular. Ei au reușit să construiască aceste rețele pe un microcip, formând un tip de circuit care funcționează cu semnale chimice, mai degrabă decât electrice.

În interiorul celulelor, proteinele tubulinei formează tije lungi și incredibil de subțiri numite microtubuli. Rețelele de microtubuli cresc ca rădăcinile copacilor în sisteme de ramificare care formează un element primar al citoscheletului, care conferă celulelor forma și le permite să se divizeze.

Pe lângă menținerea formei celulei, schelele microtubulare funcționează și ele. ca o cale ferată moleculară. Proteinele motorii specializate transportă sarcini moleculare de-a lungul filamentelor microtubulilor. Ușoare modificări în structura moleculară a microtubulilor acționează ca niște indicatoare pentru a ajusta cursurile purtătorilor chimici, trimițând încărcături moleculare utile către destinațiile lor.

La Princeton, întrebările despre aceste rețele intracelulare au condus la o colaborare între Sabine Petry, un profesor asociat de biologie moleculară și Howard Stone, profesor de inginerie mecanică și aerospațială, specializat în mecanica fluidelor.

„Sistemele biologice din care ne-am inspirat au fost axonii”, a spus Meisam Zaferani, unul dintre lideri. cercetători. „Axonii sunt proeminențe lungi care ies dintr-un neuron care permit transportul molecular direcționat.”

În sistemul nervos, rețelele de microtubuli funcționează atât ca structuri care conectează celulele nervoase, cât și ca mijloc prin care sistemul nervos poate transmite substanțe chimice. semnale care produc senzație. Zaferani a spus că oamenii de știință încă lucrează pentru a înțelege elementele creșterii microtubulilor și proprietățile chimice. Dar el a spus că echipa de cercetare a vrut să știe dacă ar putea valorifica rețelele pentru aplicații practice.

„Inginerii și fizicienii au început să studieze microtubulii ca componente pentru a construi materiale și tehnologii noi”, a spus el. „Există multe mistere cu privire la proprietățile lor fundamentale, dar știm destule pentru a începe să ne gândim la cum am putea proiecta aceste sisteme.”

Împreună cu cercetătorul Ryungeun Song, Zaferani a lucrat la crearea unui sistem care să controleze creșterea microtubulilor în laboratoarele camerelor curate de la Princeton Materials Institute.

Folosind echipamente specializate în micro/nanofabricare și microfluidică, cercetătorii au controlat cu precizie creșterea ramurilor microtubulilor. Aceștia au reușit să ajusteze unghiul și direcția de creștere și au fost capabili să creeze microstructuri în care direcția de creștere a microtubulilor a fost reglată.

Zaferani a spus că Institutul de Materiale a oferit un amestec unic de echipamente și expertiză care ar fi dificil. pentru a găsi oriunde altundeva.

Cercetătorii intenționează să continue prin direcționarea încărcăturii chimice de-a lungul ramurilor microtubulilor. Scopul este de a construi un sistem de transport chimic controlabil. Într-un efort conex, ei examinează, de asemenea, utilizarea rețelelor de microtubuli ca un instrument precum micropensetele care exercită forță fizică asupra obiectelor incredibil de mici.

Grupul de cercetare al lui Petry a colaborat mult timp cu Stone, Donald R. Dixon '69 și Elizabeth W. Dixon profesor de inginerie mecanică și aerospațială, la intersecția dintre biologie și dinamica fluidelor. L-au angajat pe Song, un inginer mecanic care s-a concentrat pe microfluidica în munca sa de absolvent; și Zaferani, un biofizician care a studiat indicii care ajută spermatozoizii mamiferelor să navigheze către un ovul.

Stone, care colaborează frecvent cu colegii din inginerie și științe naturale, a spus că amestecarea expertizei din diverse discipline duce adesea la rezultate remarcabile.

„Mi se pare foarte interesant să găsesc probleme care implică mecanica fluidelor în alte domenii”, a spus el. „Adesea găsesc un subiect care este prost înțeles de oamenii de știință de pe cealaltă parte și prost înțeles de mine și împreună lucrăm să-l rezolvăm.”

(Fluierul)