Сети,называемые микротрубочками перемонтировали для создания микроскопических железных дорог

Источник: Принстонский университет, Инженерная школа

Краткое содержание: Исследователи смогли контролировать рост тонких разветвленных сетей, которые поддерживают клеточную структуру и помогают клеткам функционировать. Сети, называемые микротрубочками, могут оказывать воздействие и точно транспортировать химические вещества на субклеточном уровне.

Исследователи из Принстона научились использовать тонкую основу, поддерживающую структуру живых клеток, и использовали ее для разработки нанотехнологической платформы. В конечном итоге эта технология может привести к достижениям в области мягкой робототехники, новых лекарств и разработке синтетических систем для высокоточного биомолекулярного транспорта.

В статье, опубликованной 17 января в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи продемонстрировали метод, который позволяет им точно контролировать рост биополимерных сетей, подобных тем, которые составляют часть клеточного скелета. Им удалось построить эти сети на микрочипе, образуя своего рода схему, работающую с химическими, а не электрическими сигналами.

Внутри клеток белки тубулины образуют длинные и невероятно тонкие стержни, называемые микротрубочками. Сети микротрубочек растут, как корни деревьев, образуя ветвящиеся системы, образующие основной элемент цитоскелета, придающий клеткам форму и позволяющий им делиться.

Микротрубчатый каркас не только помогает поддерживать форму клетки, но и действует как молекулярная железная дорога. Специализированные моторные белки переносят молекулярную нагрузку по нитям микротрубочек. Незначительные изменения в молекулярном составе микротрубочек действуют как указатели, корректирующие курс химических переносчиков, отправляя молекулярные полезные нагрузки по местам назначения. В Принстоне вопросы об этих внутриклеточных сетях привели к сотрудничеству Сабины Петри, доцента кафедры молекулярной биологии, и Говарда Стоуна, профессора механической и аэрокосмической техники, специализирующегося на механике жидкостей.

«Биологические системы, которые нас вдохновили, были аксонами», сказал Мейсам Заферани, один из ведущих исследователей и Гилберт С. Оменн, доктор медицинских наук. ’61 и Марта А. Дарлинг *70 Сотрудник Института биоинженерии и молекулярной биологии в Принстоне. «Аксоны это длинные выступы, выходящие из нейрона, которые обеспечивают направленный молекулярный транспорт».

В нервной системе сети микротрубочек работают как структуры, соединяющие нервные клетки, так и как средство передачи нервными клетками химических сигналов, вызывающих ощущения. Заферани сказал, что ученые все еще работают над пониманием элементов роста микротрубочек и их химических свойств. Но он сказал, что исследовательская группа хотела знать, смогут ли они использовать сети для практического применения.

«Инженеры и физики начали изучать микротрубочки как компоненты для создания новых материалов и технологий», сказал он. «Есть много загадок об их фундаментальных свойствах, но мы знаем достаточно, чтобы начать думать о том, как мы могли бы спроектировать эти системы».

Вместе с соавтором исследования Рюнгыном Сонгом Заферани работал над созданием системы контроля роста микротрубочек в лабораториях с чистыми помещениями Принстонского института материалов. Используя специализированное оборудование для микро/нанопроизводства и микрофлюидики, исследователи точно контролировали рост ветвей микротрубочек. Они смогли регулировать угол и направление роста и смогли создать микроструктуры, в которых регулировалось направление роста микротрубочек. Заферани сказал, что Институт материалов предлагает уникальное сочетание оборудования и опыта, которое трудно найти где-либо еще.

Исследователи планируют продолжить, направляя химический груз вдоль ветвей микротрубочек. Целью является создание управляемой системы транспортировки химикатов. В рамках аналогичной работы они также изучают возможность использования сетей микротрубочек в качестве инструмента, подобного микропинцету, который оказывает физическую силу на невероятно крошечные объекты.

Исследовательская группа Петри уже давно сотрудничает со Стоуном, профессором машиностроения и аэрокосмической техники Дональда Р. Диксона ’69 и Элизабет В. Диксон, на стыке биологии и гидродинамики. В 2021 году они получили грант от Фонда трансформационных технологий Эрика и Венди Шмидтов Принстона. Они наняли Сонга, инженера-механика, который в своей дипломной работе сосредоточился на микрофлюидике; и Заферани, биофизик, изучавший сигналы, которые помогают сперматозоидам млекопитающих перемещаться к яйцеклетке.

Стоун, который часто сотрудничает с коллегами в области инженерии и естественных наук, говорит, что сочетание опыта различных дисциплин часто приводит к замечательным результатам.

«Мне очень интересно находить проблемы, связанные с механикой жидкости, в других областях», сказал он. «Часто я нахожу тему, которая плохо понятна ученым на другой стороне и плохо понята мне самому, и мы вместе работаем над ее решением».