Ny forskning afslører potentiale for syntetiske materialesystemer, der kan tælle og fornemme deres størrelse

Fra den mindste celle til mennesker, de fleste organismer kan mærke deres lokale befolkningstæthed og ændre adfærd i overfyldte miljøer. For bakterier og sociale insekter, denne adfærd omtales som "quorum sensing". Forskere ved University of Pittsburghs Swanson School of Engineering har brugt computermodellering til at efterligne en sådan kvorumfølelsesadfærd i syntetiske materialer, som kunne føre til enheder med evnen til selvgenkendelse og selvregulering.

Resultaterne er baseret på forskning i biomimetiske syntetiske materialer af Anna C. Balazs, anerkendt professor i kemi- og petroleumsteknik, og post-doc associeret Henry Shum, som nu er adjunkt i anvendt matematik ved University of Waterloo. Artiklen, "Syntetisk kvorumsføling i modelmikrokapselkolonier, " er offentliggjort i denne uge i tidsskriftet PNAS .

"Quorum sensing (QS) er en karakteristisk adfærd for levende organismer, der kun tillader dem at starte en specifik adfærd, når en kritisk tærskel i befolkningens størrelse og tæthed overskrides, "Dr. Balazs forklarede." Denne indstillelige selvbevidsthed er tydelig i makrosystemer som f.eks. Bier, der vælger et sted til en ny bikube, men er afgørende for cellulære systemer som bakterier, som producerer og udskiller signalmolekyler, der fungerer som "autoinducere", når en bestemt population er nået. At skabe en biomimetisk respons kan tillade syntetiske materialer at "tælle" effektivt; dette er, at fornemme og tilpasse sig deres omgivelser, når en forprogrammeret tærskel er nået. "

I et biologisk system, autoinducere i lave koncentrationer diffunderer væk og udløser derfor ikke respons. Derfor, systemet er i en form for "slukket" tilstand. Imidlertid, når cellerne når et bestemt tal eller beslutningsdygtighed, produktionen af ​​autoinducere fører til en påvisning og respons. Denne "on"-tilstand øger produktionen af ​​signalmolekylet og aktiverer yderligere metaboliske veje, der udløses af QS, koordinering af koloniens adfærd.

"Imidlertid, autoinducere har en tendens til at opretholde "on"-tilstanden, når de er aktiveret, så systemet er mindre følsomt over for efterfølgende fald i populationen, " sagde Dr. Shum. "For at selvregulerende materialer entydigt kan bestemme deres nuværende tæthed, vi modellerede en koloni af immobile mikrokapsler, der frigiver signalkemikalier i et "repressilator"-netværk, som ikke udviser den samme "hukommelses" effekt. I stedet, vi fandt ud af, at kemiske oscillationer opstår i mikrokapselkolonien under forhold, der er analoge med at opnå et kvorum i biologiske systemer."

Forskerne bemærker, at deres resultater kunne inspirere nye mekano-responsive materialer, såsom polymergeler med indlejrede QS-elementer, der ville aktivere en vis kemisk adfærd, når de komprimeres, og sluk derefter, når den er strakt, eller når en bestemt temperatur nås.

"For eksempel, du kunne have en robotskin, der størkner for at beskytte sig selv ved en bestemt temperatur, og bliver så "squishy" igen, når temperaturen falder til et nominelt niveau, " Dr. Balazs tilføjer. "Selvom vores arbejde er beregningsmæssigt, resultaterne viser, at skabelsen af ​​selvgenkendende og selvregulerende syntetiske materialer er mulig."