Estudo demonstra auto-organização espontânea de microgotículas através de confinamento quase unidimensional
Resumo gráfico. Crédito:Cartas Macro ACS (2024). DOI:10.1021/acsmacrolett.3c00689 Sistemas poliméricos compostos por múltiplos componentes podem induzir espontaneamente emulsões ou microgotículas por mistura mecânica, como um estado intermediário de separação de fases macroscópicas. Infelizmente, o tamanho das gotículas geradas não é uniforme e seu arranjo espacial é bastante aleatório. Além disso, eles tendem a crescer com o tempo (engorduramento).
Para evitar a mudança no tamanho das microgotículas, os pesquisadores tentaram diminuir rapidamente a temperatura, mas esses esforços nunca poderão melhorar a uniformidade das gotículas. Se gotículas homogêneas uniformemente dispostas que aprisionam certos substratos, como DNA e medicamentos, puderem ser produzidas em um procedimento simples, essas gotículas servirão como itens úteis na distribuição de medicamentos e também na criação de células de síntese. Esta auto-organização de microgotículas pode fornecer informações valiosas sobre a automontagem de moléculas biológicas.
Em um estudo publicado na revista ACS Macro Letters uma equipe de pesquisa liderada por Ph.D. o estudante Mayu Shono, do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade Doshisha, descobriu que o padrão espacial homogêneo de microgotículas é gerado espontaneamente por meio da separação de fases da solução de polímero ao longo de um tubo capilar de vidro.
Curiosamente, foi demonstrado que o padrão uniforme das gotículas é bastante estável durante horas. Os pesquisadores confinaram uma solução aquosa de tripolímero contendo polietilenoglicol (PEG) misturado com dextrano (DEX) e gelatina em um tubo capilar de vidro revestido com PEG. Eles observaram que, com o tempo, as três fases se separaram e as gotículas de DEX e gelatina se alinharam em um padrão periódico na fase PEG.
O arranjo de automontagem espontânea ocorreu sem qualquer troca de materiais ou energia no sistema, diferenciando-o dos demais sistemas. “Temos realizado nosso estudo para esclarecer o mecanismo subjacente de auto-organização na matéria viva. Como resultado deste estudo, descobrimos um novo fenômeno para a geração de padrões característicos auto-organizados”, diz a Sra.
Em seus experimentos, os pesquisadores prepararam três soluções aquosas de tripolímero, combinando PEG, DEX e gelatina com água destilada em uma proporção de peso de 5:4:6.
Para distinguir as moléculas, eles rotularam a DEX e a gelatina com marcadores fluorescentes. Esses marcadores emitem luz de cores específicas quando expostos à luz de determinados comprimentos de onda, permitindo identificar os diferentes componentes da amostra. A solução foi então colocada em tubos capilares revestidos com PEG com diâmetros de 140 μm e 280 μm.
Devido à fixação preferencial à superfície do capilar, o PEG separou-se imediatamente da solução. As fases DEX e gelatina, que foram repelidas da parede interna, formaram gotículas que aumentaram de tamanho.
Em 40 segundos, as gotículas de DEX formaram um arranjo linear no centro do capilar e, 120 segundos depois, as gotículas de gelatina fizeram o mesmo. Isto levou a um alinhamento periódico e auto-organizado de microgotículas ricas em DEX e gelatina rodeadas por uma fase rica em PEG, que se manteve durante oito horas após a formação.
Os fundamentos do padrão observado são reproduzidos através de simulação numérica, modificando o modelo teórico com a equação de Cahn-Hilliard, que descreve a mudança dependente do tempo do padrão espacial de separação de fases em uma mistura de três polímeros diferentes.
Alcançar micropadrões estáveis através de separações de fase é um desafio, porque, em geral, as microgotículas geradas através da transição de fase não são uniformes e tendem a colapsar ou desaparecer com o tempo. Porém, ao confiná-los em um capilar com modificação química adequada de sua superfície interna, os pesquisadores conseguiram preservar os padrões por longos períodos.
"A nova metodologia para obter gotículas uniformes relatada aqui é superior à microfluídica atual em vários aspectos", diz a Sra. Shono.
No futuro, tais micropadrões poderão ser estudados para fornecer insights sobre os mecanismos envolvidos na automontagem de moléculas biológicas. Além disso, pode auxiliar no desenvolvimento da entrega direcionada de medicamentos e na produção de macromoléculas desejadas, como proteínas e nucleotídeos usando protocélulas.
Recentemente, a Sra. Shono, juntamente com colaboradores, publicou um artigo na revista Small indicando o aprisionamento seletivo bem-sucedido do DNA do tamanho do genoma nas gotículas homogêneas e organizadas.
Shono conclui:"Este cenário para a formação de padrões juntamente com a separação de fases sob confinamento pode fornecer um novo ponto de vista para descobrir os fatores ocultos para a origem da vida e também para revelar o mecanismo subjacente à estabilidade da estrutura e função da membrana- menos organelas nas células vivas."
