טיפות קואסרבט מורכבות כחומר מודל לחקר התגובה האלקטרודינמית והמניפולציה של חומרים ביולוגיים

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
X-ray_Promo1


מניפולציה של חלקיקים מוצקים בגודל של כמה מיקרומטרים באמצעות שדה חשמלי עניינה מאוד את הפיזיקאים. ניתן להרכיב את החלקיקים הניתנים לשליטה לשרשראות דינמיות שיכולות לשלוט ביעילות על זרימת הנוזלים בצינורות דקים כמו נימים. החלפת חלקיקים מוצקים אלו בטיפות נוזליות תאפשר יישומי אלקטרוריאהולוגיה שלא היו ניתנים להשגה בעבר בביוטכנולוגיה, שכן טיפות נוזלים יכולות לאחסן ולנצל ביומולקולות שונות כגון אנזימים. עד כה, לא ניתן היה להשתמש בטיפות נוזלים לאלקטרוריאה, מכיוון שהן נוטות להתלכד או לעיוות, מה שהופך אותן לבלתי יעילות כנוזלים אלקטרוריאהולוגיים.

מחקר חדש בראשות אוניברסיטת יוסטון קולן קולג' להנדסה* בשיתוף המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ואוניברסיטת שיקגו, הראה מסלול פשוט לייצוב טיפות קואסרבטות של פוליאלקטרוליט שאינן מתלכדות או מתעוותות תחת שדה חשמלי. המחקר פורסם לאחרונה ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS).

ניתן לכוון את הטיפות ה"מיוצבות" הללו בסביבה מימית באמצעות מקור מתח נמוך, למשל, סוללה של 9V, המאפשרות הקיטוב הגבוה ומטען פני השטח. טיפות אלו, הידועות בתור coacervates, מכילות פולימרים טעונים המאפשרים עטיפה של מינים טעונים רלוונטיים ביולוגית כגון חלבונים וגנים. לפיכך, יש להם פוטנציאל להוביל ולספק מגוון רחב של מטענים שימושיים בתעשיות הייצור והרפואה.

טיפות Coacervate נוצרות כאשר שני פולימרים בעלי מטען הפוך, הנקראים גם פוליאלקטרוליטים, מתאספים יחד למצב עיבוי בתמיסת מלח. ליתר דיוק, לעתים קרובות התמיסה הופכת במהירות למערכת דו-פאזית, כאשר טיפות הקואסרבט העשירות בפולימרים תלויות בתמיסה שמסביב. הטיפות הן בגודל של עשרות מיקרונים, בערך בגודל של תאים ביולוגיים טיפוסיים. למעשה, הוכח כי טיפות אלו מבצעות תגובות שונות רלוונטיות מבחינה ביולוגית. עם זאת, לטיפות קואסרבטות יש חיסרון גדול – הן מתמזגות זו בזו ליצירת טיפות גדולות יותר ויותר על ידי התלכדות עד שכל הטיפות מתמזגות ויוצרות שכבה שקועה מקרוסקופית עקב שקיעה על ידי כוח הכבידה.

"חשבו לערבב כף שמן זית בכוס מים ולנער אותה במרץ. בתחילה תראו טיפות קטנות שעושות את התערובת עכורה, אך עם הזמן הטיפות הללו מתמזגות ויוצרות שכבות שמן ומים נפרדות. כמו כן, ביו-ריאקטורים של טיפות או נוזלים אלקטרו-ראולוגיים העשויים מ-coacervates נכשלים לאורך זמן כאשר הטיפות מתלכדות ויוצרות שכבות", אמר אלמגיר קארים, יו"ר דאו ופרופסור קרן וולץ' מאוניברסיטת יוסטון, שהוביל את פרויקט המחקר, בשיתוף עם ג'ק פ. דאגלס, ארוך שנים. עמית בזמן ופיזיקאי פולימרים ב-NIST, עם תובנות שסופקו על ידי מומחה קואצרבטים לפוליאלקטרוליטים, מתיו טירל, דיקן בית הספר להנדסה מולקולרית פריצקר באוניברסיטת שיקגו.

"מדענים פתרו את בעיית ההתלכדות של טיפות שמן על ידי הוספת מולקולות פעילי שטח שמגיעות לממשק של טיפות שמן, ואוסרות על טיפות השמן להתמזג", אמר דאגלס. הוא המשיך, "לאחרונה, טכנולוגיה דומה יושמה ל-coacervate טיפות שבהן נעשה שימוש בשרשראות פולימר מיוחדות לציפוי ממשק הטיפות, ולמעשה אוסרת על התלכדותן. עם זאת, ציפויים מולקולריים כאלה אוסרים הובלת חומר פנימה והחוצה לטיפות, מה שהופך אותן ללא יעילות עבור ביו-ריאקטור. יישומים."

"רציתי לייצב את הטיפות האלה מבלי להכניס שום מולקולה נוספת", אמר אמן אגרוואל, הסטודנט לתואר שני בקבוצת המחקר קארים המוביל את הפרויקט. לאחר חודשים של מחקר, אגרוואל מצא כי "כאשר טיפות קואצ'רבות מועברות מתמיסת המלח המקורית שלהן למים מזוקקים, הממשק שלהן נוטה לרכוש עמידות חזקה נגד התלכדות". החוקרים מציעים שיציבות זו של טיפות נובעת מאובדן יונים מממשק הטיפות אל המים המזוקקים המונע על ידי שינוי פתאומי בריכוז היונים. לאחר מכן חקרה אגרוואל את הטיפות היציבות הללו מתחת לשדה חשמלי, והדגימה כיצד ליצור שרשראות טיפות מתחת לשדה AC ואז להזיז אותן עם שדה DC.

"לפיתוח החדש הזה בתחום ה-coacervate", אמר טירל, "יש יישומים פוטנציאליים באספקת תרופות וטכנולוגיות אנקפסולציה אחרות. בביולוגיה בסיסית, מנגנון זה עשוי להסביר מדוע אברונים תוך-תאיים וקונדנסטים ביולוגיים, ופרוטו-תאים פרה-ביוטיים (סוכנים אפשריים במקור של לחיים) יש את היציבות שהם עושים." מדידות אחרונות הראו שניתן לתמרן תאים מסוגים שונים בצורה דומה למדי לטיפות הקואסרבט המיוצבות עם יישום של שדות חשמליים, מה שמצביע על כך שלקיטוב של טיפות הקואסרבט עשויות להיות השלכות משמעותיות למניפולציה של חומרים ביולוגיים רבים המורכבים מפולימרים טעונים.

*מחקר זה נתמך על ידי קרן Welch באמצעות מענק מס' E-2105-20220331.

מקור הסיפור:

חומרים המסופק על ידי אוניברסיטת יוסטון. הערה: ניתן לערוך את התוכן לפי הסגנון והאורך.



קישור לכתבת המקור – 2022-08-05 16:12:30

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות

עוד מתחומי האתר