Efterligner naturen for programmerbare og adaptive syntetiske materialer

Biologiske systemer er virkelig repræsentative for et komplekst makroskopisk fænomen, kontrolleres akut af mikroskopiske kemiske reaktionsnetværk. Mens forskere søger at skabe et naturtro adaptivt og lydhørt materiale, forskning er intensiveret i syntetiske efterligninger af rudimentære biologiske processer.

En sådan biologisk proces er den kontrollerede vækst af cytoskeletale proteiner. Bortset fra at fungere som et nano-skelet til at opretholde celleform, samlinger af disse proteiner er ansvarlige for distribution af næringsstoffer inde i en celle. Dermed, de styrer næsten alle vigtige processer inde i cellen, fra division til tvangsfordeling. Det ville være sikkert at formode, at samlingskontrolveje for disse proteiner er en vigtig bidragyder i en celles adaptive og lydhøre adfærd. Den centrale del af denne proces er et ATP-drevet metabolisk system, der programmerer væksten og forfaldet af disse forsamlinger på en tidsrelateret måde. Tæt kontrol opretholdes også på størrelsen af ​​disse aggregater, da størrelsen direkte vedrører systemets funktionelle virkning.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Naturkommunikation , forskere fra Jawaharlal Nehru Center for Advanced Science and Research (JNCASR) og Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine (inStem) skabte en minimalistisk syntetisk efterligning af cytoskeletale netværk med strukturel og tidsmæssig programmering. Arbejdet fokuserer på reaktionsdrevet kontrolleret vækst af et to-komponent monomert molekylært system.

"Dette syntetiske monomere system er elegant designet til at give anledning til en primær reaktion, der ville omdanne et inaktivt (ikke-samlende) monomert system til et aktivt system (som udløser samling) ved tilsætning af alkylaminer (brændstof), " sagde Dr. Subi George, lektor ved JNCASR.

De viser, at denne reaktion kan bruges til præcist at kontrollere den endimensionelle vækst (nanofibre) af resulterende samlinger gennem kontrolleret tilgængelighed af brændstof. Væksten af ​​disse nanofibrøse strukturer er drevet af meget svage intermolekylære interaktioner (supramolekylær polymerisation) såsom hydrofobe reaktioner svarende til lipiddobbeltlag i membraner og aromatiske interaktioner svarende til stabling af nukleobaser i DNA, og er derfor meget dynamiske og har selvreparerende funktioner som mange biologiske samlinger.

"Mens biologiske systemer elegant modulerer selvsamling med stor præcision, at bibringe forbigående og levende polymerisationsegenskaber i kemiske amfifiler har hidtil været en skræmmende opgave. Design af en in situ-formende amfifil gjorde det muligt for os at studere de dynamiske samlede strukturer efter behag, " sagde Dr. Praveen Kumar Vemula.

Gennem detaljerede spektroskopiske og mikroskopiske analyser, de etablerede denne vækst for at være "levende" i naturen, resulterer i samlinger med meget snæver størrelsesfordeling (monodispergeret). Systemet blev videreudviklet ved at koble væksten med unikt udvalgte kemiske scenarier, således at der blev etableret kontrol over væksten og demonteringskinetikken. Som resultat, et tidsprogrammeret forbigående netværk af fibrøse samlinger blev realiseret. I begge tilfælde manipulationen af ​​vigtige tidsmæssige karakteristika var fra et par sekunder til tusinder af sekunder. Denne undersøgelse repræsenterer således et centralt trin i udviklingen af ​​adaptiv, naturtro, supramolekylære materialer.

"Vi har, for første gang, demonstreret, at enhver tidsmæssig egenskab ved supramolekylær polymerisation kan kontrolleres kemisk og yderligere kobles til andre deltagende reaktioner, der ligner et biologisk system, "sagde Ankit Jain, hovedforfatter til papiret.

"At kontrollere de selvsamlede nano-arkitekturer ved hjælp af stimuli som enzymer og pH har været fascinerende, " siger Ashish Dhayani, avisens forfatter.

"Dette arbejde er et betydeligt fremskridt med hensyn til at designe biomimetiske aktive systemer, der fungerer under ligevægtsforhold, med rum-tidsmæssig programmering sammenlignet med størstedelen af ​​de syntetiske passive systemer, der er rapporteret hidtil, som arbejder under termodynamisk ligevægt med kun rumlig kompleksitet, "sagde Shikha Dhiman, medforfatter til papiret.

Den næste udfordring er at bygge syntetiske naturtro systemer, der kan tænke, lære og tilpasse sig, som levende væsener gør. Denne undersøgelse er et sådant indledende trin, men der er stadig meget undersøgelse påkrævet for fuldt ud at efterligne naturlige processer. Holdet håber at anvende dette princip og bruge disse dynamiske selvsamlende nano-arkitekturer i biologiske systemer.