Forskere skaber nanomaterialer, der omkonfigureres som reaktion på biokemiske signaler

Biologiske celler har den komplekse og mirakuløse evne til at omkonfigurere og ændre den måde, de kommunikerer med hinanden på over tid, giver dem mulighed for smidigt at dirigere kritiske funktioner i den menneskelige krop - fra at tænke til at gå til at bekæmpe sygdom. En stor udfordring inden for materialevidenskab er at udvikle nanomaterialer, der kan replikere aspekter af disse cellulære funktioner og integreres med levende systemer. I et papir offentliggjort i dag i Naturkemi , et team af forskere ledet af videnskabsmænd ved Advanced Science Research Center (ASRC) ved The Graduate Center ved City University of New York beskriver, hvordan de har skabt syntetiske materialer med evnen til at efterligne nogle adfærd, der normalt er forbundet med levende stof.

"Evnen til selv at samle, rekonfigurering og adskillelse som reaktion på kemiske signaler er et almindeligt træk i biologiske materialer, men ikke i menneskeskabte," sagde Mohit Kumar, avisens hovedforfatter og en videnskabsmand med Rein Ulijns forskningsgruppe ved ASRC's Nanoscience Initiative og Hunter College. "Hvis du ønsker at integrere syntetiske materialer i biologi, en sømløs grænseflade er ønskelig, som kræver materialer, der deler nogle af de levende stofs egenskaber. Vores tilgang vil forhåbentlig åbne døren til menneskeskabte materialer, der kan interagere med og reparere levende systemer."

At udvikle nanomaterialer, der omkonfigureres som reaktion på kemiske signaler, forskere startede med basismolekylet naphthalendiimid (NDI), som er en organisk halvleder. Molekylet blev selektivt modificeret på begge sider ved at udsætte det for biokemiske signaler i form af simple aminosyrer, der blev tilføjet til systemet. Et enzym blev brugt til at inkorporere aminosyrerne på kernemolekylet, udløser selvmonterings- og demonteringsveje. Denne proces tillod dannelse og nedbrydning af nanomaterialer med ledningslignende funktioner, der var i stand til at lede elektriske signaler.

Ved at bruge forskellige aminosyrer, forskere var i stand til at styre udviklingen af ​​nanomaterialer med forskellige egenskaber, herunder en programmerbar nanostruktur med mulighed for at tænde og slukke for elektrisk ledning ved brug af tidsafhængig selvmontering og demontering.

"Som neuroner i hjernen, disse materialer udviser en bemærkelsesværdig evne til at ombygge deres elektriske forbindelser, " sagde Allon Hochbaum, en medforfatter til papir- og materialeforskeren ved Samueli School of Engineering, University of California, Irvine (UCI). "Samlingen af ​​disse molekyler er kodet i deres dynamiske kemi, så ved blot at ændre de kemiske input, vi kan observere isolerende nanomaterialer, ledende nanomaterialer, eller nanomaterialer, der dynamisk skifter mellem ledende og ikke-ledende tilstande. Det faktum, at deres samling og ledningsevne udvikler sig i vand, gør disse materialer endnu mere overbevisende til bio-grænsefladeapplikationer."

Finansiering til forskningen blev leveret af Air Force Office for Scientific Research og Army Research Office. UCI-forskere udviklede enheder til at måle nanomaterialernes elektriske ledningsevner, mens ASRC-forskere udviklede nanomaterialerne. Det samarbejdende teams næste skridt er at forbinde de nye nanomaterialer med faktiske neuroner for at se, hvordan de menneskeskabte og biologiske materialer interagerer.

"Vi vil se, om vi kan bruge de dynamiske elektroledende nanomaterialer til effektivt at interagere med neuroner og resultere i deres on-demand elektrisk affyring, sagde Rein Ulijn, direktør for ASRC's Nanoscience Initiative. "Vi er stadig tidligt i det aspekt af arbejdet, men hvad vi har indtil videre er et spændende gennembrud, der demonstrerer muligheden for at skabe menneskeskabte materialer, der efterligner et kompleks, dynamisk aktivitet af biologiske systemer. Disse nye nanomaterialer har evnen til at reagere på biologisk relevante kemiske signaler og give en elektronisk grænseflade. I det lange løb, dette kan åbne op for en ny vej mod udvikling af behandlinger, indtil nu, kun har været teoretisk."