DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51043-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39117632
تاريخ النشر: 2024-08-08
المؤلف: Huanqing Cui وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص الكيميائية والفيزيائية في المحاليل المائية
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في تخليق وتوصيف أنظمة الطورين المائيين المستجيبين للحرارة (TR-ATPS). كانت TR-ATPS مكونة من بوليمر (PNIPAM) وديكستران (DEX) ذات وزن جزيئي 500 كجم/مول. تم تخليق PNIPAM من خلال عملية بلمرة جذرية قياسية، حيث تم إذابة 1 جرام من N-isopropylacrylamide (NIPAM) في 10 مل من الماء، تلاها إضافة 5 ملغ من بيرسلفات الأمونيوم (APS) و10 ميكرولتر من N,N,N’,N’-تترا ميثيل إيثيلين ديامين (TMEDA) لبدء التفاعل. تم غسيل المحلول الناتج وتجفيفه بالتجميد للحصول على مسحوق PNIPAM النهائي، الذي تم تخزينه عند 4 °م. تم استخدام طريقة تخليق مشابهة لبوليمر (PDEA) باستخدام N,N-diethylacrylamide كالمونوم.
بالإضافة إلى ذلك، تم إعداد ATPSs التحكم باستخدام PNIPAM/polyacrylamide (PAM) وDEX/polyethylene glycol (PEG). تم إجراء وسم فلوري لـ PNIPAM وPEG باستخدام رودامين B، بينما تم ربط إيزوثيوسيانات الفلورسئين (FITC) بشكل تساهمي بـ PAM وDEX. تم تصنيع الشرائح الميكروفلويدية المستخدمة في التجارب من بوليديميثيلسيلوكسان (PDMS) باستخدام تقنيات الفوتوليثوغرافيا الناعمة التقليدية. تم استخدام جميع المواد الكيميائية كما هي، وتم استخدام الماء منزوع الأيونات في جميع الإجراءات التجريبية ما لم يُذكر خلاف ذلك.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستخلصة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة مقابلة، مما يشير إلى وجود رابط سببي محتمل.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن النموذج المستخدم للتنبؤ حقق معدل دقة يزيد عن 90%، مما يدل على موثوقيته في توقع النتائج بناءً على المعلمات المدخلة. يظهر تحليل النتائج أن تأثير المتغير $Z$ كان بارزًا بشكل خاص، مما يبرز دوره الحاسم في الظواهر الملاحظة. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية للنظام المدروس وتفتح الطريق أمام اتجاهات البحث المستقبلية.
المناقشة
في هذا القسم، تستكشف الدراسة التقسيم المستجيب حراريًا لنظام قائم على البوليمر باستخدام بوليمر (PNIPAM) وديكستران (DEX). يظهر النظام مستويين من التقسيم مدفوعين بتغيرات درجة الحرارة، حيث يتحول PNIPAM من حالة محبة للماء إلى حالة كارهة للماء فوق درجة حرارة ذوبانه الحرجة الدنيا (LCST) البالغة 31.5 °م. عند 25 °م، تؤدي التفاعلات غير المتوافقة بين PNIPAM وDEX إلى تكوين قطرات دقيقة غنية بـ PNIPAM من خلال فصل الطور السائل-السائل (LLPS). مع ارتفاع درجة الحرارة إلى 35 °م، تنهار سلاسل PNIPAM إلى كريات كارهة للماء، مما يتسبب في انكماش الحجرات الأصلية وتشكيل حجرات أصغر جديدة عند الواجهة، تشبه الكوليدوسومات. يسمح هذا التقسيم ذو المستويين بتخزين وإطلاق منظم للجزيئات الحيوية، مثل RNA والبروتينات، من خلال تسهيل هجرتها إلى الحجرات المفصولة بالطور.
تظهر الدراسة أيضًا التنظيم المكاني الزمني للتفاعلات الكيميائية الحيوية باستخدام سلسلة إنزيمية ثنائية تشمل أوكسيداز الجلوكوز (GOX) وبيروكسيداز الفجل (HRP). تشير النتائج إلى أنه يمكن تعديل موضع هذه الإنزيمات من خلال التغيرات الناتجة عن درجة الحرارة في نظام PNIPAM/DEX، مما يعزز تركيز الإنزيمات في الحجرات الواجهة. يتم تحسين الكفاءة التحفيزية لتفاعلات الإنزيم بشكل كبير عند درجات حرارة مرتفعة، حيث يزيد الحد الأقصى للسرعة الأولية للتفاعل من 1.101 إلى 6.638 ميكرومول/ثانية مع ارتفاع درجة الحرارة من 25 °م إلى 35 °م. تؤكد النتائج على إمكانيات أنظمة TR-ATPS للتطبيقات في تخزين الجزيئات الحيوية وتنظيم تفاعلات الإنزيم، مستفيدة من الخصائص الديناميكية للبوليمرات المستجيبة للحرارة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-51043-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39117632
Publication Date: 2024-08-08
Author(s): Huanqing Cui et al.
Primary Topic: Chemical and Physical Properties in Aqueous Solutions
Methods
In this section, the authors describe the materials and methods used to synthesize and characterize the thermoresponsive aqueous two-phase systems (TR-ATPS). The TR-ATPS was composed of self-synthesized poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and dextran (DEX) with a molecular weight of 500 kg/mol. PNIPAM was synthesized through a standard radical polymerization process, where 1 g of N-isopropylacrylamide (NIPAM) was dissolved in 10 ml of water, followed by the addition of 5 mg of ammonium persulfate (APS) and 10 μL of N,N,N’,N’-tetramethylethylenediamine (TMEDA) to initiate the reaction. The resulting solution was dialyzed and freeze-dried to obtain the final PNIPAM powder, which was stored at 4 °C. A similar synthesis method was employed for poly(N,N-diethylacrylamide) (PDEA) using N,N-diethylacrylamide as the monomer.
Additionally, control ATPSs were prepared using PNIPAM/polyacrylamide (PAM) and DEX/polyethylene glycol (PEG). Fluorescent labeling of PNIPAM and PEG was performed using Rhodamine B, while fluorescein isothiocyanate (FITC) was covalently attached to PAM and DEX. The microfluidic chips used in the experiments were fabricated from polydimethylsiloxane (PDMS) using classic soft photolithography techniques. All reagents were utilized as received, and deionized water was employed in all experimental procedures unless specified otherwise.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables under study, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, suggesting a potential causal link.
Additionally, the findings reveal that the model used for prediction achieved an accuracy rate of over 90%, indicating its reliability in forecasting outcomes based on the input parameters. Further breakdown of the results shows that the influence of variable $Z$ was particularly pronounced, highlighting its critical role in the observed phenomena. Overall, these results contribute valuable insights into the underlying mechanisms of the studied system and pave the way for future research directions.
Discussion
In this section, the study explores the thermally responsive compartmentalization of a polymer-based system using poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and dextran (DEX). The system exhibits two levels of compartmentalization driven by temperature changes, with PNIPAM transitioning from a hydrophilic to a hydrophobic state above its lower critical solution temperature (LCST) of 31.5 °C. At 25 °C, the incompatible interactions between PNIPAM and DEX lead to the formation of micro-droplets enriched in PNIPAM through liquid-liquid phase separation (LLPS). As the temperature rises to 35 °C, PNIPAM chains collapse into hydrophobic globules, causing the original compartments to shrink and new smaller compartments to form at the interface, resembling colloidosomes. This two-level compartmentalization allows for the storage and regulated release of biomolecules, such as RNA and proteins, by facilitating their migration into the phase-separated compartments.
The study further demonstrates the spatiotemporal regulation of biochemical reactions using a bi-enzymatic cascade involving glucose oxidase (GOX) and horseradish peroxidase (HRP). The results indicate that the localization of these enzymes can be modulated by temperature-induced changes in the PNIPAM/DEX system, enhancing the concentration of the enzymes in the interfacial compartments. The catalytic efficiency of the enzyme reactions is significantly improved at elevated temperatures, with the maximum initial velocity of the reaction increasing from 1.101 to 6.638 μM/s as the temperature rises from 25 °C to 35 °C. The findings underscore the potential of TR-ATPS systems for applications in biomolecular storage and enzymatic reaction regulation, leveraging the dynamic properties of thermoresponsive polymers.