Увеличение срока жизни искусственных клеточных мембран с пяти дней до почти двух месяцев

Клеточная мембрана, имеющая гидрофильную внешнюю и гидрофобную внутреннюю части, открывает и закрывает ионные каналы подобно водопроводному крану, преобразуя физико-химический стимул в электрический сигнал, который затем передается клеткам. До недавнего времени препятствием была ограниченная способность искусственной клеточной мембраны сохранять структуру максимум пять дней.

Команда под руководством доктора Тэ Сон Кима из Института наук о мозге KIST (Корейский институт науки и технологий) успешно разработала искусственную клеточную мембрану, которую можно сохранять стабильной на кремниевой подложке более 50 дней. Это самое продолжительное время, зарегистрированное в данной области. Ранее, в 2018 году, команда доктора Кима создала искусственную мембрану, работавшую пять дней, а в 2019 году продемонстрировала перенос положительного иона внутрь структуры с искусственной мембраной, к поверхности которой был прикреплен белок, подтвердив потенциал её применения в биосенсорах.

Однако для исследований в науках о жизни и практической коммерциализации биосенсоров необходима долговечность не менее одного месяца. Чтобы продлить пятидневный предел стабильности, исследователи KIST сосредоточились на материале под названием блок-сополимер (BCP). BCP — это макромолекула, состоящая из двух или более блоков, которые могут многократно выстраиваться в длинный ряд блоков с противоположными свойствами, имитирующими гидрофильную и гидрофобную природу человеческой клеточной мембраны.

Исследовательская группа разработала технологию, которая позволяет регулярно размещать десятки тысяч отверстий диаметром 8 мкм на кремниевой подложке, вводить в каждое отверстие определенное количество раствора BCP с помощью поверхностной обработки и высушивать его. Затем, путем приложения электрического поля между верхним пластинчатым электродом микрофлюидного канала и нижней кремниевой подложкой, можно настраиваемо создавать структуру двойного слоя BCP в форме мыльного пузыря, удлиненного овала или тонкой трубки. Этот процесс привел к открытию возможности поддержания структуры определенной формы в зависимости от концентрации раствора, а также приложенного электрического поля и его частоты. Это указывает на способ свободного управления размером и формой искусственных клеточных мембран — от сферы, как мыльный пузырь, до цилиндра, как трубка.

В итоге команда KIST создала искусственную клеточную мембрану, способную оставаться стабильной более 50 дней, заполнив внешнюю часть трехмерной двухслойной структуры BCP пористым гидрогелем, который демонстрирует превосходные характеристики эластичности и упругости, сходные с веществом человеческого тела. Кроме того, была воспроизведена структура искусственного органа путем репликации эпителиальной клетки тонкой кишки, состоящей из тысяч трубчатых структур (ресничек), с использованием двухслойной структуры BCP. Потенциал использования в качестве материала для искусственных органов был доказан через связывание с β-галактозидазой.

Доктор Ким отмечает: «В то время как глобальные исследования искусственных клеточных мембран были сосредоточены на размещении двумерной планарной структуры на кремниевой подложке, нашей команде удалось увеличить период стабильности искусственной клеточной мембраны более чем в десять раз после разработки первой технологии создания трехмерной структуры искусственной клеточной мембраны. Это исследование, представившее путь для крупномасштабного изготовления массивов искусственных клеточных мембран, как ожидается, разовьется в платформенную технологию для исследований биологической функциональности, идентификации ролей сверхчувствительных биосенсоров, имитирующих функции клеток, скрининга лекарств для разработки новых препаратов, а также нейротрансмиттеров и гормонов в мозге».

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.