In recent years, scientists have created artificial microscopic and nanoscopic self-propelling particles, often referred to as nano- or micro-swimmers, capable of mimicking biological locomotion and taxis. This active diffusion enables the engineering of complex operations that so far have not been possible at the micro- and nanoscale. One of the most promising task is the ability to engineer nanocarriers that can autonomously navigate within tissues and organs, accessing nearly every site of the human body guided by endogenous chemical gradients. Here we report a fully synthetic, organic, nanoscopic system that exhibits attractive chemotaxis driven by enzymatic conversion of glucose. We achieve this by encapsulating glucose oxidase — alone or in combination with catalase — into nanoscopic and biocompatible asymmetric polymer vesicles (known as polymersomes). We show that these vesicles self-propel in response to an external gradient of glucose by inducing a slip velocity on their surface, which makes them move in an extremely sensitive way towards higher concentration regions. We finally demonstrate that the chemotactic behaviour of these nanoswimmers enables a four-fold increase in penetration to the brain compared to non-chemotactic systems.

Agent-based modelling is particularly adept at modelling complex features of cell signalling pathways, where heterogeneity, stochastic and spatial effects are important, thus increasing our understanding of decision processes in biology in such scenarios. However, agent-based modelling often is computationally prohibitive to implement. Parallel computing, either on central processing units (CPUs) or graphical processing units (GPUs), can provide a means to improve computational feasibility of agent-based applications but generally requires specialist coding knowledge and extensive optimisation. In this paper, we address these challenges through the development and implementation of the FLAME-accelerated signalling tool (FaST), a software that permits easy creation and parallelisation of agent-based models of cell signalling, on CPUs or GPUs. FaST incorporates validated new agent-based methods, for accurate modelling of reaction kinetics and, as proof of concept, successfully converted an ordinary differential equation (ODE) model of apoptosis execution into an agent-based model. We finally parallelised this model through FaST on CPUs and GPUs resulting in an increase in performance of 5.8× (16 CPUs) and 53.9× respectively. The FaST takes advantage of the communicating X-machine approach used by FLAME and FLAME GPU to allow easy alteration or addition of functionality to parallel applications, but still includes inherent parallelisation optimisation. The FaST, therefore, represents a new and innovative tool to easily create and parallelise bespoke, robust, agent-based models of cell signalling.

The blood-brain barrier is made of polarised brain endothelial cells (BECs) phenotypically conditioned by the central nervous system (CNS). Transport across BECs is of paramount importance for nutrient uptake as well as to rid the brain of waste products. Nevertheless, currently, we do not understand how large macromolecular cargo shuttles across and how BECs discriminate between the brain-bound and own nutrients. Here, we study the low-density lipoprotein receptor-related protein 1 (LRP1) an essential regulator of BEC transport and show that it is associated with endocytic effectors, endo-lysosomal compartments as well as syndapin-2, a member of the Bin/Amphiphysin/Rvs (BAR) domain superfamily known to stabilise tubular carriers. We employed synthetic self-assembled vesicles, polymersomes, as a multivalent system with tunable avidity as a tool to investigate the mechanism of transport across BECs. We used a combination of conventional and super-resolution microscopy, both in vivo and in vitro, accompanied by biophysical modelling of transport kinetics and membrane-bound interactions. Our results demonstrate that the avidity of the ligand-receptor interaction (the overall cargo binding energy) determines the mechanism of sorting during the early stages of endocytosis and consequent trafficking. We show that high avidity cargo biases the LRP1 towards internalisation and fast degradation in BECs, while mid avidity augments the formation of syndapin-2 stabilised tubular carriers and promotes fast shuttling across BECs. Thus, we map out a very detailed mechanism where clathrin, actin, syndapin-2, dynamin and SNARE act synergistically to enable fast shuttling across BECs.