Químicos de polímeros e cientistas de materiais alcançaram alguns avanços notáveis ​​que imitam a natureza, mas uma das características mais comuns e práticas das células até agora está fora de alcance - a compartimentação intracelular. Refere-se à maneira como muitas organelas diferentes, vesículas e outras estruturas moles "água na água" na célula, conter e isolar reações e processos químicos. Também permite que os produtos de reação sejam compartilhados seletivamente com os usuários finais dentro da célula.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada por Thomas Russell da University of Massachusetts Amherst e do Lawrence Berkeley National Laboratory, com o pesquisador de pós-doutorado Ganhua Xie e outros, descrever em um novo artigo como eles tiram proveito das diferenças na carga elétrica para criar um "totalmente aquoso, "construção água-na-água que atinge a compartimentação em um sistema sintético.

"Nossos resultados apontam para novas oportunidades para manipular e melhorar a separação contínua e as reações compartimentadas. Acho que desenvolvemos uma estratégia para imitar o comportamento das células vivas, "Russell observa." As pessoas já tentaram antes construir sistemas sintéticos que imitassem a natureza, mas não o fizeram, mas nos temos. Acho que esta é a primeira vez que isso foi demonstrado. "Os detalhes aparecem na edição atual de Chem .

Evan Runnerstrom, gerente do programa de design de materiais no Gabinete de Pesquisa do Exército, que apoiou este trabalho com o Departamento de Energia dos EUA, diz, "Esta capacidade de programar estrutura estável e funcionalidade química em sistemas totalmente aquosos que são ecologicamente corretos e biocompatíveis irá potencialmente fornecer capacidades futuras sem precedentes para o Exército. O conhecimento gerado por este projeto pode ser aplicável a tecnologias futuras para baterias totalmente líquidas , purificação de água ou tratamento de feridas e administração de drogas no campo. "

Russell e seus colegas estão interessados ​​em interfaces de líquidos há vários anos e, anteriormente, realizaram muitos experimentos de óleo e água para observar os resultados em várias condições. "Isso nos levou a começar a olhar para interfaces de água em água, "ele observa.

Para este trabalho, Xie usou duas soluções aquosas de polímero, um de polietilenoglicol (PEG) e água, o outro dextrano e água, com diferentes cargas elétricas; eles podem ser combinados, mas não se misturam. É um "exemplo clássico" de coacervação, eles sugerem - a solução passa por separação de fase líquido-líquido e forma dois domínios separados, como a não mistura de cera e água em uma lâmpada de lava.

Próximo, Xie usou uma agulha para enviar um jato de alta velocidade da solução de dextrana mais água para a solução de PEG mais água, algo que Russell chama de "impressão 3-D de água na água". Esta operação cria um túbulo aquoso estabilizado por membrana de coacervado ou túbulo cheio de água, onde o comprimento do caminho do tubo pode ser de quilômetros de comprimento, ele diz. Esta impressão 3-D água sobre água forma uma camada membranosa de um coacervado que separa as duas soluções.

Outra característica do tubo de água formado desta forma é que a carga elétrica regula se e em que direção um material pode passar através da membrana de coacervado, os autores explicam. Um corante carregado negativamente ou outra molécula só pode passar através de uma parede carregada negativamente da membrana assimétrica, e da mesma forma para materiais carregados positivamente. Xie diz, "Ele efetivamente forma um diodo, um portão unilateral. Podemos fazer uma reação dentro deste tubo ou saco que irá gerar uma molécula carregada positivamente que só pode se difundir na fase positiva através do coacervado. "

Ele adiciona, "Se projetarmos o sistema da maneira certa, podemos separar as coisas facilmente por cobrança, portanto, pode ser usado para meios de separação em sistemas de reação compartimentados totalmente aquosos. Também podemos disparar uma reação que permitirá uma cascata de reação coordenada, assim como acontece em nossos corpos. "

Xie explica que a impressão 3-D água sobre água permite que eles direcionem para onde colocar esses domínios. "Podemos construir estruturas multicamadas com camadas positivas / negativas / positivas. Podemos usar as em forma de saco como câmaras de reação, ", diz ele. As vantagens de separar funções e materiais em células por compartimentalização incluem permitir que muitos processos ocorram de uma só vez, muitos ambientes químicos diferentes para coexistir e componentes incompatíveis para trabalhar lado a lado.

Entre outros testes e experimentos, os pesquisadores relatam como projetaram um sistema tubular totalmente aquoso e anexaram bombas de seringa e agulhas em cada extremidade para permitir que a água bombeie por toda a estrutura sem vazamento, criar um sistema de reação coordenada de fluxo direto.

"Depois de fazer isso, olhamos para o mimetismo biológico ", diz Russell." Tem havido muitos esforços para imitar os sistemas biológicos, e um biólogo pode objetar e dizer que isso é muito simples. Mas acho que, embora envolva materiais simples, funciona. Está caminhando muito perto da vasculatura, e imita qualquer lugar onde os produtos químicos fluam através de uma membrana. Está no corpo? Não, mas simula um processo metabólico real, uma reação compartimental. "