Gotas de coacervado complejo como material modelo para estudiar la respuesta electrodinámica de materiales biológicos

La manipulación de partículas sólidas de unos pocos micrómetros de tamaño usando un campo eléctrico ha sido de gran interés para los físicos. Estas partículas controlables se pueden ensamblar en cadenas dinámicas que pueden controlar efectivamente el flujo de líquidos en tubos delgados como capilares. Reemplazar estas partículas sólidas con gotas líquidas permitiría aplicaciones de electrorreología en biotecnología que antes no se podían lograr, ya que las gotas líquidas pueden almacenar y utilizar varias biomoléculas, como enzimas. Hasta ahora, no era posible utilizar gotas de líquido para electrorreología, ya que tienden a coalescer o deformarse, lo que las hace ineficaces como fluidos electrorreológicos.

Una nueva investigación dirigida por la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston* en colaboración con el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Chicago, ha mostrado un camino simple para estabilizar las gotas de coacervado de polielectrolito que no se unen ni se deforman bajo un campo eléctrico. El estudio fue publicado recientemente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Permitidas por la alta polarizabilidad y la carga superficial residual, estas gotas «estabilizadas» se pueden dirigir en un entorno acuoso utilizando una fuente de bajo voltaje, por ejemplo, una batería de 9V. Conocidas como coacervados, estas gotitas contienen polímeros cargados que permiten la encapsulación de especies cargadas biológicamente relevantes, como proteínas y genes. Por lo tanto, tienen el potencial de transportar y entregar una variedad de carga útil en las industrias manufacturera y médica.

Las gotas de coacervado se forman cuando dos polímeros de carga opuesta, también llamados polielectrolitos, se juntan en un estado condensado en una solución salina. Más específicamente, la solución a menudo se convierte rápidamente en un sistema de dos fases, con las gotitas de coacervado ricas en polímeros suspendidas en la solución circundante. Las gotitas tienen un tamaño de decenas de micras, aproximadamente del tamaño de las células biológicas típicas. De hecho, se ha demostrado que estas gotitas realizan varias reacciones biológicamente relevantes. Sin embargo, las gotitas coacervadas tienen un gran inconveniente: se fusionan entre sí para formar gotitas cada vez más grandes al fusionarse hasta que todas las gotitas se fusionan para formar una capa sedimentada macroscópica debido a la sedimentación por gravedad.

«Piense en mezclar una cucharada de aceite de oliva en una taza de agua y agítela vigorosamente. Inicialmente, verá pequeñas gotas que enturbian la mezcla, pero con el tiempo estas gotas se fusionan para formar capas separadas de aceite y agua. Del mismo modo, los biorreactores de gotas o los fluidos electrorreológicos hechos de coacervados fallan con el tiempo cuando las gotas se unen para formar capas», dijo Alamgir Karim, presidente de Dow y profesor de la Fundación Welch de la Universidad de Houston, quien dirigió el proyecto de investigación, en colaboración con Jack F. Douglas, un colega y físico de polímeros del NIST, con información proporcionada por el experto en coacervatos de polielectrólitos, Matthew Tirrell, decano de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago.

«Los científicos resolvieron el problema de la coalescencia de las gotas de aceite al agregar moléculas de surfactante que van a la interfaz de las gotas de aceite, lo que impide que las gotas de aceite se fusionen», dijo Douglas. Continuó: «Recientemente, se aplicó una tecnología similar para coacervar las gotas en las que se usaron cadenas de polímeros especializadas para recubrir la interfaz de las gotas, lo que prohibió efectivamente su coalescencia. Sin embargo, tales recubrimientos moleculares prohíben el transporte de material dentro y fuera de las gotas, lo que las hace ineficaces para biorreactores. aplicaciones».

«Quería estabilizar estas gotas sin introducir ninguna molécula adicional», dijo Aman Agrawal, el estudiante graduado del Grupo de Investigación Karim que dirige el proyecto. Después de meses de investigación, Agrawal descubrió que «cuando las gotas de coacervado se transfieren de su solución salina original al agua destilada, su interfaz tiende a adquirir una fuerte resistencia a la coalescencia». Los investigadores proponen que esta estabilidad de las gotas se debe a una pérdida de iones desde la interfaz de la gota hacia el agua destilada impulsada por un cambio abrupto en la concentración de iones. Luego, Agrawal estudió estas gotas estables bajo un campo eléctrico, demostrando cómo formar cadenas de gotas bajo un campo de CA y luego moverlas con un campo de CC.

«Este nuevo desarrollo en el campo de los coacervados», dijo Tirrell, «tiene aplicaciones potenciales en la administración de fármacos y otras tecnologías de encapsulación. En biología básica, este mecanismo puede explicar por qué los orgánulos intracelulares y los condensados ​​biológicos y las protocélulas prebióticas (posibles agentes en el origen de vida) tienen la estabilidad que ellos tienen». Mediciones recientes han demostrado que las células de varios tipos se pueden manipular de manera bastante similar a las gotas de coacervado estabilizado con la aplicación de campos eléctricos, lo que sugiere que la polarizabilidad de las gotas de coacervado podría tener ramificaciones significativas para la manipulación de numerosos materiales biológicos compuestos de polímeros cargados.