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.

Полученную технологию можно использовать в разных отраслях, в том числе пищевой промышленности и фармацевтике — метод позволит снизить затраты при изготовлении лекарств и пищевых продуктов, повысив при этом объем производства.

Статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters. 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.

«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.

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.

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 Кладько.

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.