Biologiske signalprocesser i intelligente materialer

Forskere fra University of Freiburg har udviklet materialesystemer, der er sammensat af biologiske komponenter og polymermaterialer og er i stand til at opfatte og behandle information. Disse biohybridsystemer blev konstrueret til at udføre visse funktioner, såsom tællesignalimpulser for at frigive bioaktive molekyler eller lægemidler på det rigtige tidspunkt, eller for at påvise enzymer og små molekyler såsom antibiotika i mælk. Det tværfaglige team præsenterede deres resultater i nogle af de førende tidsskrifter på området, inklusive Avancerede materialer og Materialer i dag .

Levende systemer (såsom celler og organismer) og elektriske systemer (såsom computere) reagerer på forskellige inputoplysninger, og har forskellige output-kapaciteter. Imidlertid, den grundlæggende egenskab, som disse komplekse systemer deler, er evnen til at behandle information. I løbet af de sidste to årtier, videnskabsmænd har anvendt principperne for elektroteknik til at designe og bygge levende celler, der opfatter og behandler information og udfører ønskede funktioner. Dette felt kaldes syntetisk biologi, og det har mange spændende anvendelser inden for det medicinske, bioteknologi, energi- og miljøsektoren.

"Takket være store fremskridt i vores forståelse af komponenterne og ledningerne i biologiske signalprocesser, vi er nu på et stadie, hvor vi kan overføre biologiske moduler fra syntetisk biologi til materialer, " forklarer ledende forsker prof. Wilfried Weber fra Det Biologiske Fakultet og BIOSS Center for Biologiske Signalstudier. Et kritisk skridt i udviklingen af ​​disse smarte materialesystemer var at tilpasse aktiviteten af ​​de biologiske byggesten optimalt. Ligesom computere, inkompatibilitet af individuelle komponenter kan have styr på det overordnede system. Nøglen til at overvinde denne udfordring var kvantitative matematiske modeller udviklet af prof. Jens Timmer og dr. Raphael Engesser fra Det Matematiske og Fysiske Fakultet.

"En stor ting ved disse syntetiske biologi-inspirerede materialesystemer er deres alsidighed, siger Hanna Wagner, den første forfatter til et af studierne og en doktorgradskandidat ved Spemann Graduate School of Biology and Medicine (SGBM). Det modulære designkoncept, der fremlægges i disse undersøgelser, giver en plan for konstruktion af biohybride materialesystemer, der kan fornemme og behandle forskellige fysiske, kemiske eller biologiske signaler og udføre de ønskede funktioner, såsom forstærkning af signaler, opbevaring af information, eller kontrolleret frigivelse af bioaktive molekyler. Disse innovative materialer kan derfor have brede anvendelsesmuligheder inden for forskning, bioteknologi og medicin.