Kunstige celler kommunikerer og samarbejder som biologiske celler, myrer (med video)

Inspireret af de sociale interaktioner mellem myrer og slimsvampe, Ingeniører fra University of Pittsburgh har designet kunstige celler, der er i stand til selv at organisere sig i uafhængige grupper, der kan kommunikere og samarbejde. For nylig rapporteret i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), forskningen er et vigtigt skridt i retning af at producere syntetiske celler, der opfører sig som naturlige organismer og kan yde vigtige, mikroskalafunktioner inden for områder lige fra den kemiske industri til medicin.

Holdet præsenterer i PNAS papirberegningsmodeller, der giver en plan for udvikling af kunstige celler – eller mikrokapsler – der kan kommunikere, bevæge sig selvstændigt, og transportere "last" såsom kemikalier, der er nødvendige for reaktioner. Mest vigtigt, de "biologisk inspirerede" enheder fungerer udelukkende gennem simple fysiske og kemiske processer, opfører sig som komplekse naturlige organismer, men uden den komplicerede indre biokemi, sagde den tilsvarende forfatter Anna Balazs, Fremragende professor i kemiteknik ved Pitt's Swanson School of Engineering.

Pitt-gruppens mikrokapsler interagerer ved at udskille nanopartikler på en måde svarende til den, der bruges af biologiske celler, signalerer til at kommunikere og samles i grupper. Og med et nik til myrer, cellerne efterlader kemiske spor, når de rejser, hvilket får andre mikrokapsler til at følge efter. Balazs arbejdede med hovedforfatteren tyske Kolmakov og Victor Yashin, begge postdoktorale forskere i Pitts Institut for Kemi- og Petroleumsteknik, hvem producerede cellemodellerne; og med Pitt professor i elektro- og computerteknik Steven Levitan, der udtænkte den myrelignende slæbende evne.

Forskerne skriver, at kommunikation afhænger af samspillet mellem mikrokapsler, der udveksler to forskellige typer nanopartikler. Den "signalerende" celle udskiller nanopartikler kendt som agonister, der får den anden "mål" mikrokapsel til at udsende nanopartikler kendt som antagonister.

Video af denne interaktion er tilgængelig på Pitts websted og præsenteret nedenfor, en af ​​flere videoer af de kunstige celler, Pitt har leveret. Da signalcellen (til højre) udsender agonist-nanopartiklerne (vist som blå), målcellen (til venstre) reagerer med antagonister (vist som røde), der forhindrer den første celle i at udskille. Når først signalcellen går i dvale, målcellen holder ligeledes op med at frigive antagonister - hvilket får signalcellen til at starte op igen. Mikrokapslerne bliver låst ind i en cyklus, der svarer til en intercellulær samtale, en dialog mennesker kunne styre ved at justere kapslernes permeabilitet og mængden af ​​nanopartikler, de indeholder.

Bevægelse resulterer, når de frigivne nanopartikler ændrer overfladen under mikrokapslerne. Cellens polymerbaserede vægge begynder at skubbe på væsken, der omgiver kapslen, og væsken skubber endnu hårdere tilbage, flytte kapslen. På samme tid, nanopartiklerne fra signalcellen trækker den mod målcellerne. Grupper af kapsler begynder at dannes, mens signalcellen ruller sammen, opsamling af målceller. I praktisk brug, Balazs sagde, signalcellen kunne transportere målceller fyldt med last; holdets næste trin er at kontrollere rækkefølgen, i hvilken målceller indsamles og afleveres.

Forskerne justerede partikeloutputtet fra signalcellen for at skabe forskellige celleformationer, hvoraf nogle er vist i videoerne på Pitts websted og med denne udgivelse. Det første klip - med titlen "Ant Trail Formation" - viser de efterfølgende "myrer, " hvori partikelsekretionerne fra en mikrokapselgruppe forsinkes, indtil en anden gruppe passerer forbi og aktiverer den. Den nyligt opvågnede klynge følger derefter den kemiske rest efterladt af hovedgruppen.

En anden film, med titlen "Dragon Formation, " skildrer en "drage"-formation, der omfatter to samvirkende signalceller (vist som røde), der leder en stor gruppe af mål. Ligesom disse er "slanger", der består af konkurrerende signalkapsler, der trækker respektive linier af målceller.