Die Zellmembran, die ein hydrophiles Äußeres und ein hydrophobes Inneres enthält, öffnet und schließt Ionenkanäle wie ein Wasserhahn und wandelt einen physikalisch-chemischen Reiz in ein elektrisches Signal um, das dann an die Zellen weitergeleitet wird. Bis vor kurzem war die begrenzte Fähigkeit einer künstlichen Zellmembranstruktur, nur maximal fünf Tage zu halten, eine Hürde.
Das Korea Institute of Science and Technology (KIST, Präsident Seok-Jin Yoon) gab bekannt, dass es dem Forschungsteam um Dr. Tae Song Kim vom Brain Science Institute gelungen ist, eine künstliche Zellmembran zu entwickeln, die über 50 Tage stabil gehalten werden kann auf einem Siliziumsubstrat. Dies ist die längste Zeit, die in diesem Bereich gemeldet wurde. Neben der Schaffung einer fünftägigen künstlichen Zellmembran im Jahr 2018 demonstrierte das Team von Dr. Kim im Jahr 2019 die Übertragung eines positiven Ions in das Innere einer Struktur mit einer künstlichen Zellmembran mit einem an der Oberfläche angebrachten Protein und bestätigte dies sein Anwendungspotenzial für Biosensoren.
Für die biowissenschaftliche Forschung unter Verwendung künstlicher Zellmembranen und die praktische Kommerzialisierung von Biosensoren ist jedoch eine Haltbarkeit von mindestens einem Monat unerlässlich. Um die Grenze von fünf Tagen Stabilität einer künstlichen Zellmembran zu verlängern, konzentrierte sich das KIST-Forschungsteam auf ein Material namens Blockcopolymer (BCP). Ein BCP ist ein Makromolekül, das aus zwei oder mehr Blöcken besteht, die wiederholt als lange Reihe von Blöcken mit gegensätzlichen Eigenschaften ausgerichtet werden können, die die hydrophile und hydrophobe Natur der menschlichen Zellmembran nachahmen.
Das Forschungsteam von Dr. Kim entwickelte eine Technologie, die regelmäßig zehntausende Löcher mit einem Durchmesser von 8 μm auf einem Siliziumsubstrat anordnet und durch Oberflächenbehandlung eine bestimmte Menge BCP-Lösung in jedes Loch einbringt und trocknet. Dann wird durch Anlegen eines elektrischen Felds zwischen der oberen Plattenelektrode des mikrofluidischen Kanals und dem unteren Siliziumsubstrat eine seifenblasenförmige, eine länglich ovale oder eine dünne röhrenförmige BCP-Doppelschichtstruktur abstimmbar erzeugt. Dieser Prozess führte zur Entdeckung der Möglichkeit, eine Struktur mit einer bestimmten Form in Abhängigkeit von der Konzentration der Lösung und dem angelegten elektrischen Feld und der Frequenz beizubehalten. Dies deutet auf ein Mittel hin, um die Größe und Form künstlicher Zellmembranen frei zu steuern, von einer Kugel wie einer Seifenblase bis zu einem Zylinder wie einer Röhre.
Das KIST-Forschungsteam schuf schließlich eine künstliche Zellmembran, die über 50 Tage stabil gehalten werden kann, indem es die Außenseite einer dreidimensionalen doppelschichtigen BCP-Struktur mit einem porösen Hydrogel füllte, das eine hervorragende Elastizität und Belastbarkeitseigenschaften ähnlich der eines Menschen aufweist Körpersubstanz. Darüber hinaus wurde eine künstliche Organstruktur durch Replikation einer Epithelzelle im Dünndarm hergestellt, die aus Tausenden von röhrenförmigen Strukturen (Zilien) besteht, wobei eine BCP-Doppelschichtstruktur verwendet wird, die ihr Verwendungspotential als Material für künstliche Organe durch Bindung mit beweist β-Galactosidase.
Dr. Kim sagt: „Während sich die weltweite Forschung zu künstlichen Zellmembranen darauf konzentriert hat, eine zweidimensionale planare Struktur auf einem Siliziumsubstrat zu platzieren, ist es dem Team gelungen, die Stabilitätsdauer einer künstlichen Zellmembran nach dem 10-fachen zu verlängern Entwicklung der ersten dreidimensionalen Technologie zur Herstellung künstlicher Zellmembranstrukturen.Die Forschung, die einen Weg für die großflächige Array-Herstellung künstlicher Zellmembranen aufgezeigt hat, soll sich zu einer Plattformtechnologie für die biologische Funktionsforschung weiterentwickeln, die die Rollen von hochempfindliche Biosensoren, die Zellfunktionen ähneln, Arzneimittelscreening für die Entwicklung neuer Arzneimittel sowie Neurotransmitter und Hormone im Gehirn.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.
Dong-Hyun Kang et al, Abstimmbare und skalierbare Herstellung von polymorphen künstlichen 3D-Zellmembranarrays auf Blockcopolymerbasis, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28960-y
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