Mobiele steigers opnieuw bedraad om microscopisch kleine spoorwegen te maken

Onderzoekers uit Princeton hebben geleerd de ragfijne steigers te benutten die de structuur van levende cellen in stand houden en hebben deze gebruikt om een ​​nanotechnologieplatform te ontwikkelen. De techniek zou uiteindelijk kunnen leiden tot vooruitgang op het gebied van zachte robotica, nieuwe medicijnen en de ontwikkeling van synthetische systemen voor uiterst nauwkeurig biomoleculair transport.

In een artikel“Building on-chip cytoskeletale circuits via vertakte microtubuli-netwerken”, gepubliceerd in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappendemonstreerden de onderzoekers een methode waarmee ze de groei van biopolymeernetwerken, zoals die deel uitmaken van het cellulaire skelet, nauwkeurig kunnen controleren. Ze waren in staat deze netwerken op een microchip te bouwen, waardoor ze een soort circuit vormden dat werkte met chemische in plaats van elektrische signalen.

In de cellen vormen tubuline-eiwitten lange, ongelooflijk dunne staafjes die microtubuli worden genoemd. Netwerken van microtubuli groeien als boomwortels uit tot vertakkingssystemen die een primair element vormen van het cytoskelet, dat cellen hun vorm geeft en hen in staat stelt zich te delen.

De microtubulaire structuur helpt niet alleen de vorm van een cel te behouden, maar werkt ook als een moleculaire spoorlijn. Gespecialiseerde motoreiwitten dragen moleculaire ladingen langs de microtubulusfilamenten. Kleine veranderingen in de moleculaire samenstelling van de microtubuli fungeren als wegwijzers om de koers van de chemische dragers aan te passen, waardoor moleculaire ladingen naar hun bestemming worden gestuurd.

Bij Princeton leidden vragen over deze intracellulaire netwerken tot een samenwerking tussen Sabine Petry, universitair hoofddocent moleculaire biologie, en Howard Stone, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek die gespecialiseerd is in vloeistofmechanica.

“De biologische systemen waardoor we ons lieten inspireren waren axonen”, zegt Meisam Zaferani, een van de hoofdonderzoekers. “Axonen zijn lange uitsteeksels die uit een neuron komen en die gericht moleculair transport mogelijk maken.”

In het zenuwstelsel werken microtubuli-netwerken zowel als structuren die zenuwcellen verbinden als als een middel voor het zenuwstelsel om chemische signalen over te brengen die sensatie veroorzaken. Zaferani zei dat wetenschappers nog steeds bezig zijn om elementen van de groei van microtubuli en chemische eigenschappen te begrijpen. Maar hij zei dat het onderzoeksteam wilde weten of ze de netwerken konden benutten voor praktische toepassingen.

“Ingenieurs en natuurkundigen zijn begonnen microtubuli te bestuderen als componenten om nieuwe materialen en technologieën te bouwen,” zei hij. “Er zijn veel mysteries over hun fundamentele eigenschappen, maar we weten genoeg om na te denken over hoe we deze systemen kunnen ontwikkelen.”

Samen met medeonderzoeker Ryungeun Song werkte Zaferani aan het creëren van een systeem om de groei van microtubuli te beheersen in de cleanroomlaboratoria van het Princeton Materials Institute.

Met behulp van gespecialiseerde apparatuur op het gebied van micro-/nanofabricage en microfluidica controleerden de onderzoekers nauwkeurig de groei van de microtubuli-takken. Ze waren in staat de hoek en richting van de groei aan te passen en konden microstructuren creëren waarin de groeirichting van microtubuli werd gereguleerd.