Умный и простой метод создания однородных микрогелей с ДНК, имитирующих живую клетку

Живая клетка содержит физиологически значимые компоненты, такие как генетический материал (ДНК) и белки, в «самоорганизованной» среде. Изучение этого процесса самосборки может раскрыть механизмы самоорганизации живой материи.

В качестве прототипов или «моделей», имитирующих клетки, можно использовать капли типа вода/масло (w/o) или вода/вода (w/w). Эти модели также важны для биомедицинских исследований. Хотя клеточные миметики можно создавать с помощью сложного и дорогого оборудования, такие методы затратны, трудоемки и сложны.

Исследователи из Японии разработали одностадийный метод получения однородных желатин-основных клеточных миметиков, называемых «микрогелями». Результаты были опубликованы в журнале Small 24 мая 2023 года.

«В настоящее время наше исследование сосредоточено на понимании самоорганизации живой материи. В рамках этой работы мы обнаружили экспериментальную процедуру, которая может быть весьма полезной для генерации микрогелей», — пояснили мотивацию исследования М. Маю Сёно и профессор Акихиса Сиои из Университета Дошиша, руководившие работой. В команду также вошли Гэн Хонда и Михо Янагисава из Токийского университета, а также Кеничи Ёсикава, представляющий Университет Дошиша и Киотский университет.

Механизм образования микрогелей действительно интересен. Начальный этап включает генерацию доменных структур из полиэтиленгликоля (PEG) и желатина — двух широко используемых синтетических сшивающих агентов. Снижение температуры до 24°C способствует селективному переходу желатин-обогащенного домена в гель-фазу.

В определенных экспериментальных условиях PEG-обогащенная фаза мигрирует преимущественно к стеклянной поверхности капиллярной трубки из-за большего сродства к стеклу и меньшего сродства к желатин-обогащенным доменам. В результате капли, обогащенные желатином, окружаются PEG-обогащенной фазой. Эти находки были подтверждены теоретическим и численным моделированием с использованием экспериментов со стеклянными капиллярами, которые показали, что смачиваемость внутренней поверхности капилляра доминирует в фазовом разделении типа вода/вода.

Более того, при добавлении ДНК капли, обогащенные желатином, смогли спонтанно захватывать молекулы ДНК благодаря фазовому разделению PEG и желатина, что привело к образованию клеткоподобных микрогелей. Исследование также отметило, что отрицательно заряженные молекулы ДНК, включенные в капли, могут стабилизировать их, предотвращая слияние даже выше температуры перехода золь/гель.

Команда также использовала флуоресцентный краситель для маркировки и отслеживания инкапсулированной ДНК. Последующие эксперименты с флуоресцентной микроскопией выявили наличие круглых микрогелевых структур, содержащих светящиеся молекулы ДНК. По словам авторов, ожидается, что текущий подход позволит удерживать, хранить и транспортировать огромные молекулы ДНК внутри крошечных капель размером с клетку.

«Этот новый метод формирования однородных микрогелей размером с клетку может быть применим к другим биополимерам. Однородные и стабильные клеткоподобные системы также будут иметь ключевое значение для области биологических и наук о жизни», — говорит аспирант Маю Сёно, первый автор статьи.

В итоге, исследование представляет новый метод приготовления желатин-основных клеточных миметиков, который можно адаптировать в зависимости от области применения. «Метод, предложенный в нашем исследовании, который не требует специального оборудования, органических растворителей или поверхностно-активных веществ, может быть полезен для производства микрогелей для пищевых продуктов, лекарств, косметики и других материалов», — заключает профессор Сиои.