Для превращения одного вещества в другое необходимо поместить в биологическую систему, например, такую, как клетка, вещество, запускающее целую серию химических реакций — субстрат. В результате этих реакций получается необходимый продукт, который используется в дальнейших химических превращениях в самих клетках и разработке лекарственных препаратов и пищевых продуктов. Главная сложность воздействия на биокаталитические процессы в клетках в том, что клеточная мембрана и стенка ограничивают скорость диффузии – проникновения субстрата в клетку.
Как частицы-«ежи» ускоряют реакции в клетках
Ученые Университета ИТМО предложили использовать «ежи-подобные» частицы, управляемые магнитным полем, для ускорения химических реакций в клетках. Новая технология позволит повысить проницаемость клеточных мембран с сохранением первоначальной структуры клетки. Это упрощает транспортировку веществ и увеличивает скорость биокатализа.
Дмитрий Лисовский (ITMO.NEWS)
Российские физики предложили использовать похожие на ежей частицы, чтобы создать новые лекарства
«Для преодоления барьера можно увеличить проницаемость клеточной мембраны. Для этого часто используют химические вещества. Однако они могут быть достаточно токсичными, и их действие сложно контролировать, а другие методы могут необратимо разрушить структуру клетки», – объясняет первый автор исследования, магистрант лаборатории SCAMT Университета ИТМО, Даниил Кладько.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Исследователи ИТМО на примере биохимической реакции спиртового брожения показали, что увеличить пропускную способность клеток и контролировать таким образом биокатализ можно с помощью специальных «ежи-подобных» частиц (urchin-like particles), управляемых магнитным полем. Urchin-like particles получили такое название из-за своей поверхности с неоднородностями в виде острых стержней, что делает их похожими на морских ежей. В качестве клеточной модели, над которой проводились эксперименты, были выбраны пекарские дрожжи. Статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters.
Чтобы преобразовать субстрат (глюкозу) в спирт с помощью дрожжей, к ним добавляли «ежей», инкубировали в течение определенного времени, а потом отправляли в установку, которая воздействовала на образец переменным магнитным полем с заданной частотой, интенсивностью и направлением. Ученым удалось «пробить» клеточную мембрану и «доставить» внутрь клетки субстрат, вступающий в биохимический каскад реакций, при этом не вредя ее структуре и жизнеспособности. Более того, выяснилось, что магнитное поле позволяет контролировать весь процесс его «включением» и «выключением».
«Вращающееся магнитное поле заставляет дрожжи вместе с "ежами" крутиться вокруг своей оси. В результате этого происходит их взаимодействие: "еж" трансформирует энергию магнитного поля в механическое напряжение на мембрану, находясь на которой, он создает момент силы, позволяющий ей открыться. В данном случае очень важны время и частота. Нужно чтобы поле какое-то время поработало и "подергало" мембрану, потому что это все еще достаточно плотная структура, несмотря на ее кажущуюся тонкость», — рассказывает Даниил.
Разработанную технологию можно применять в разных отраслях, например, пищевой промышленности, фармацевтике и биотехнологиях. Так, при работе с теми же дрожжами, ускорение биокатализа магнитным полем и частицами поможет уменьшить стоимость и увеличить объем производства продуктов на их основе. Аналогично и с лекарствами, которые изготавливаются на базе биосинтеза: новый метод позволит повысить масштабы их выпуска и снизить цену конечного продукта.
Материал предоставлен пресс-службой ИТМО
Загружаем