Protoceller springer i gang

Et University of Bristol-ledet team af internationale videnskabsmænd med interesse i protoliving-teknologier, har i dag offentliggjort forskning, som baner vejen for at bygge nye semi-autonome enheder med potentielle anvendelser i miniaturiseret blød robotteknologi, mikroskala sensing og bioengineering.

Mikroaktuatorer er enheder, der kan konvertere signaler og energi til mekanisk drevet bevægelse i småskalastrukturer og er vigtige i en lang række avancerede mikroskalateknologier.

Normalt, mikroaktuatorer er afhængige af eksterne ændringer i bulkegenskaber såsom pH og temperatur for at udløse repeterbare mekaniske transformationer. Nu, i en ny undersøgelse offentliggjort i dag i Naturkemi , Professor Stephen Mann fra University of Bristols School of Chemistry, og Max Planck Bristol Center for Minimal Biology sammen med kollegerne Dr. Ning Gao, Mei Li, Liangfei Tian, Avinash Patil og Pavan Kumar i Bristol Center for Protolife Research demonstrerer en ny tilgang, der bruger interne ændringer som udløseren for signalbaseret bevægelse.

I en række eksperimenter, forskerne har med succes indlejret titusindvis af kunstige cellelignende enheder (protoceller) i spiralformede filamenter af en polysaccharidhydrogel for at producere små fritstående fjedre, der er kemisk drevet indefra.

Teamet fyldte først protocellerne med urease - et enzym, der genererer carbonationer, når de forsynes med urinstof - og fangede derefter de kunstige celler i en snoet stråle af calciumalginathydrogel ved hjælp af en hjemmebygget mikrofluidisk enhed.

De opdagede, at de spiralformede filamenter begynder at rulle sig ud i vand, når ureasen er tændt, og at hastigheden af ​​forlængelsen i længderetningen steg, efterhånden som flere carbonationer undslap fra protocellerne ind i den omgivende hydrogel.

Koblingen af ​​endogen kemisk aktivitet til mekanisk bevægelse var forbundet med brydning af tværbindinger i hydrogelen på grund af fjernelse af calciumionerne ved on-site dannelse af calciumcarbonatpartikler, hvilket førte til langsom frigivelse af elastisk energi i de fjederlignende mikrostrukturer.

Omvendt genvinding af calciumionerne ved at opløse calciumcarbonatpartikler ved hjælp af en anden population af syreproducerende glucoseoxidaseholdige protoceller placeret uden for filamenterne vendte afviklingen og genetablerede den oprindelige spiralformede stigning af de fritstående fjedre.

Baseret på disse observationer, forskerne brugte de spiralformede protocelletråde som en drivaksel til at udføre protocelledrevet mekanisk arbejde. For det, de fastgjorde en enkelt "gigantisk" protocelle i hver ende af den oprullede hydrogel og udnyttede de små håndvægte som fritstående mikroaktuatorer (se billede). Ureaseaktivitet i de to gigantiske protoceller var tilstrækkelig til at forårsage en lateral forlængelse af håndvægten. Bevægelsen kunne blive begrænset, hvis en af ​​de vedhæftede kæmpeprotoceller indeholdt glucoseoxidase, som arbejdede på at genoprette det tabte calcium i hydrogelforbindelsen. På denne måde en række forskellige former for kemisk-mekanisk transduktion kunne programmeres ind i mikroaktuatorerne ved indbygget behandling af kemiske signaler.

Professor Stephen Mann, meddirektør for Max Planck Bristol Center for Minimal Biology (MPBC) i Bristol, sagde:"Vi har en langvarig interesse i protoliving-teknologier. En vigtig udfordring er, hvordan man kan forbinde protocellesamfund med deres miljø for at producere funktionelle relationer. Det nye arbejde giver et skridt i denne retning, da det illustrerer, hvordan endogene kemiske processer kan kobles til deres energiserede omgivelser for at producere et programmerbart kemo-mekanisk mikrosystem".

Dr. Ning Gao, også på MPBC og School of Chemistry ved University of Bristol tilføjede:"Vi håber, at vores tilgang vil motivere fremstillingen af ​​nye typer af bløde adaptive mikrostrukturer, der fungerer via øgede niveauer af autonomi."