Il gruppo di Bristol fa avanzare la ricerca sulle protocelle / Bristol team advances protocell research

Il gruppo di Bristol fa avanzare la ricerca sulle protocelle / Bristol team advances protocell research

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

 

Microattuatore basato su protocelle; si vedono singole protocelle giganti (rosse) attaccate ad entrambe le estremità di un filamento di idrogel energizzato meccanicamente (verde). / Protocell-based micro-actuator; single giant protocells (red) are seen attached at both ends of a mechanically energized hydrogel filament (green). Attestazione: S Mann

I microattuatori sono dispositivi che convertono segnali ed energia in movimenti azionati meccanicamente in strutture su piccola scala. Utilizzati in una gamma di tecnologie avanzate su microscala, di solito si basano su cambiamenti esterni nelle proprietà di massa come pH e temperatura per attivare trasformazioni meccaniche ripetibili.

Il nuovo studio, pubblicato su Nature Chemistry , mette in evidenza un nuovo approccio che utilizza i cambiamenti interni come trigger per il movimento basato sul segnale. 

I ricercatori della School of Chemistry di Bristol, del Max Planck Bristol Center for Minimal Biology (MPBC) e del Bristol Center for Protolife Research hanno affermato di aver incorporato con successo decine di migliaia di entità simili a cellule artificiali (protocelle) all'interno di filamenti elicoidali di un idrogel polisaccaride per produrre minuscole molle indipendenti alimentate chimicamente dall'interno.

Il gruppo ha caricato le protocelle con ureasi, un enzima che genera ioni carbonato quando fornito con urea, quindi ha catturato le cellule artificiali in un getto tortuoso di idrogel di alginato di calcio utilizzando un dispositivo microfluidico costruito in casa.

Secondo lo studio, i filamenti elicoidali iniziano a svolgersi in acqua quando l'ureasi viene attivata e la velocità di estensione longitudinale aumenta man mano che più ioni carbonato fuoriescono dalle protocelle nell'idrogel circostante.

L'accoppiamento dell'attività chimica endogena al movimento meccanico è stato associato alla rottura dei legami incrociati nell'idrogel a causa della rimozione degli ioni calcio mediante formazione in loco di particelle di carbonato di calcio, che porta a un lento rilascio di energia elastica nelle microstrutture simili a molle.

I ricercatori hanno affermato che il recupero degli ioni calcio dissolvendo le particelle di carbonato di calcio utilizzando una seconda popolazione di protocelle contenenti glucosde ossidasi che producono acido poste all'esterno dei filamenti ha invertito lo svolgimento e ristabilito il passo elicoidale originale delle molle indipendenti.

Sulla base di questo, hanno usato il filamento elicoidale della protocella come albero motore per eseguire lavori meccanici alimentati da protocelle attaccando una singola protocella "gigante" a ciascuna estremità dell'idrogel a spirale e sfruttando i minuscoli manubri come microattuatori indipendenti. 

L'attività dell'ureasi nelle due protocelle giganti è stata sufficiente a causare un'estensione laterale del manubrio, ha detto il gruppo. Il movimento potrebbe essere ridotto se una delle protocelle giganti attaccate contenesse glucosio ossidasi, che ha funzionato per ripristinare il calcio perso nel connettore dell'idrogel. Una gamma di modalità di trasduzione chimico-meccanica potrebbe essere programmata nei microattuatori mediante l'elaborazione a bordo dei segnali chimici.

"Abbiamo un interesse di lunga data nelle tecnologie di protoliving", ha affermato il professor Stephen Mann, co-direttore dell'MPBC. “Una sfida chiave è come interfacciare le comunità di protocelle con il loro ambiente per produrre relazioni funzionali. Il nuovo lavoro fornisce un passo in questa direzione in quanto illustra come i processi chimici endogeni possono essere accoppiati al loro ambiente energizzato per produrre un micro-sistema chemio-meccanico programmabile”.

Il dott. Ning Gao, anch'egli dell'MPBC e della School of Chemistry di Bristol, ha affermato che il gruppo spera che il suo approccio possa motivare la fabbricazione di nuove microstrutture adattive morbide che operano attraverso maggiori livelli di autonomia.

ENGLISH

Micro-actuators are devices that convert signals and energy into mechanically driven movement in small-scale structures. Used in a range of advanced microscale technologies, they usually rely on external changes in bulk properties such as pH and temperature to trigger repeatable mechanical transformations.

The new study, published in Nature Chemistry, highlights a novel approach using internal changes as the trigger for signal-based movement. 

Researchers from Bristol’s School of Chemistry, the Max Planck Bristol Centre for Minimal Biology (MPBC) and the Bristol Centre for Protolife Research said they successfully embedded tens of thousands of artificial cell-like entities (protocells) within helical filaments of a polysaccharide hydrogel to produce tiny free-standing springs that are chemically powered from within.

The team loaded the protocells with urease, an enzyme that generates carbonate ions when supplied with urea, then captured the artificial cells in a twisting jet of calcium alginate hydrogel using a home-built microfluidic device.

According to the study, the helical filaments start to uncoil in water when the urease is switched on and the speed of the lengthwise extension increased as more carbonate ions escaped from the protocells into the surrounding hydrogel.

The coupling of endogenous chemical activity to mechanical movement was associated with the breaking of crosslinks in the hydrogel due to removal of the calcium ions by on-site formation of calcium carbonate particles, leading to slow release of elastic energy in the spring-like microstructures.

Researchers said that reclaiming the calcium ions by dissolving calcium carbonate particles using a second population of acid-producing glucosde oxidase-containing protocells placed outside the filaments reversed the uncoiling and re-established the original helical pitch of the free-standing springs.

Based on this, they used the helical protocell filament as a drive shaft for performing protocell-powered mechanical work by attaching a single ‘giant’ protocell at each end of the coiled hydrogel and exploiting the tiny dumbbells as free-standing micro-actuators. 

Urease activity in the two giant protocells was sufficient to cause a lateral extension of the dumbbell, the team said. The movement could be curtailed if one of the attached giant protocells contained glucose oxidase, which worked to restore the lost calcium in the hydrogel connector. A range of modes of chemical-mechanical transduction could be programmed into the micro-actuators by on-board processing of chemical signals.

“We have a longstanding interest in protoliving technologies,” said professor Stephen Mann, co-director of the MPBC. “One key challenge is how to interface protocell communities with their environment to produce functional relationships. The new work provides a step in this direction as it illustrates how endogenous chemical processes can be coupled to their energised surroundings to produce a programable chemo-mechanical micro-system.”

Dr Ning Gao, also at the MPBC and Bristol’s School of Chemistry said the team hopes its approach will motivate fabrication of new soft adaptive microstructures that operate via increased levels of autonomy.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/bristol-team-advances-protocell-research/