Onderzoekers ontwikkelen kunstmatige cel op een chip

Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben een nauwkeurig controleerbaar systeem ontwikkeld om biochemische reactiecascades in cellen na te bootsen. Met behulp van microfluïdische technologie produceren ze miniatuur polymere reactiecontainers die zijn uitgerust met de gewenste eigenschappen. Deze ‘cel op een chip’ is niet alleen nuttig voor het bestuderen van processen in cellen, maar ook voor de ontwikkeling van nieuwe synthetische routes voor chemische toepassingen of voor biologisch actieve stoffen in de geneeskunde.

Om te overleven, te groeien en te delen, vertrouwen cellen op een groot aantal verschillende enzymen die veel opeenvolgende reacties katalyseren. Gezien de complexiteit van processen in levende cellen, is het onmogelijk te bepalen wanneer specifieke enzymen in welke concentraties aanwezig zijn en wat hun optimale verhoudingen ten opzichte van elkaar zijn. In plaats daarvan gebruiken onderzoekers kleinere, synthetische systemen als modellen om deze processen te bestuderen. Deze synthetische systemen simuleren de onderverdeling van levende cellen in afzonderlijke compartimenten.

Grote gelijkenis met natuurlijke cellen

Nu heeft het team onder leiding van professoren Cornelia Palivan en Wolfgang Meier van de afdeling Chemie aan de Universiteit van Basel een nieuwe strategie ontwikkeld voor het produceren van deze synthetische systemen. Schrijven in het dagboek Geavanceerde materialenbeschrijven de onderzoekers hoe ze verschillende synthetische miniatuurreactiecontainers maken, bekend als blaasjes, die – als geheel genomen – dienen als model van een cel.

“Anders dan in het verleden is dit niet gebaseerd op de zelfassemblage van blaasjes”, legt Wolfgang Meier uit. “We hebben eerder een efficiënte microfluïdische technologie ontwikkeld om op een gecontroleerde manier met enzym geladen blaasjes te produceren.” De nieuwe methode stelt de onderzoekers in staat om de grootte en samenstelling van de verschillende blaasjes aan te passen, zodat er verschillende biochemische reacties in kunnen plaatsvinden zonder elkaar te beïnvloeden – zoals in de verschillende compartimenten van een cel.

Om de gewenste blaasjes te maken, voert de wetenschapper de verschillende componenten in kleine kanaaltjes op een chip van siliciumglas. Op deze chip komen alle microkanalen samen op een knooppunt. Als de omstandigheden correct zijn geconfigureerd, produceert deze opstelling een waterige emulsie van polymeerdruppeltjes van uniforme grootte die worden gevormd op het snijpunt.

Nauwkeurige controle

Het polymeermembraan van de blaasjes fungeert als een buitenschaal en omsluit een waterige oplossing. Tijdens de productie worden de blaasjes gevuld met verschillende combinaties van enzymen. Zoals eerste auteur dr. Elena C. dos Santos uitlegt, biedt deze techniek een aantal belangrijke voordelen: “De nieuw ontwikkelde methode stelt ons in staat om op maat gemaakte blaasjes te produceren en de gewenste combinatie van enzymen binnenin nauwkeurig aan te passen.”

Eiwitten die in het membraan zijn opgenomen, werken als poriën en maken het selectieve transport van verbindingen in en uit de polymeerblaasjes mogelijk. De poriegroottes zijn ontworpen om de doorgang van alleen specifieke moleculen of ionen mogelijk te maken, waardoor de afzonderlijke studie van cellulaire processen die in de natuur dicht naast elkaar plaatsvinden mogelijk wordt gemaakt.

“We konden aantonen dat het nieuwe systeem een ​​uitstekende basis biedt voor het bestuderen van enzymatische reactieprocessen”, legt Cornelia Palivan uit. “Deze processen kunnen worden geoptimaliseerd om de productie van een gewenst eindproduct te stimuleren. Bovendien stelt de technologie ons in staat om specifieke mechanismen te onderzoeken die een rol spelen bij stofwisselingsziekten of die de reactie van bepaalde medicijnen in het lichaam beïnvloeden.”

Het werk werd ondersteund door het Swiss Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel, de Swiss National Science Foundation en het National Center of Competence in Research “MSE — Molecular Systems Engineering.”