Från den minsta cellen till människor, de flesta organismer kan känna av sin lokala befolkningstäthet och ändra beteende i trånga miljöer. För bakterier och sociala insekter, detta beteende hänvisas till som "quorum sensing". Forskare vid University of Pittsburghs Swanson School of Engineering har använt beräkningsmodellering för att efterlikna sådant kvorumavkänningsbeteende i syntetiska material, vilket skulle kunna leda till apparater med förmåga till självigenkänning och självreglering.

Resultaten är baserade på forskning om biomimetiska syntetiska material av Anna C. Balazs, Erkänd professor i kemi- och petroleumteknik, och postdoktorand Henry Shum, som nu är biträdande professor i tillämpad matematik vid University of Waterloo. Artikeln, "Syntetisk kvorumavkänning i modellmikrokapselkolonier, " publiceras denna vecka i tidskriften PNAS .

"Quorum sensing (QS) är ett distinkt beteende hos levande organismer som tillåter dem att initiera ett specifikt beteende endast när en kritisk tröskel för populationsstorlek och täthet överskrids, "Dr. Balazs förklarade. "Denna inställbara självkännedom är uppenbar i makrosystem som att bin väljer en plats för en ny kupa, men är avgörande för cellulära system som bakterier, som producerar och utsöndrar signalmolekyler som fungerar som "autoinducerare" när en specifik population nås. Att skapa ett biomimetiskt svar kan tillåta syntetiska material att effektivt "räkna"; detta är, att känna av och anpassa sig till sin miljö när en förprogrammerad tröskel har nåtts."

I ett biologiskt system, autoinducerare i låga koncentrationer diffunderar bort och utlöser därför ingen respons. Därav, systemet är i en typ av "av"-tillstånd. Dock, när cellerna når ett visst antal eller kvorum, produktionen av autoinducers leder till en upptäckt och respons. Detta "på"-tillstånd ökar produktionen av signalmolekylen och aktiverar ytterligare metaboliska vägar som triggas av QS, samordna kolonibeteendet.

"Dock, autoinducerare tenderar att bibehålla tillståndet "på" när det väl har aktiverats så att systemet är mindre känsligt för efterföljande minskningar av befolkningen, "Dr. Shum sa. "För att självreglerande material otvetydigt ska kunna bestämma deras nuvarande densitet, vi modellerade en koloni av orörliga mikrokapslar som frigör signalkemikalier i ett "repressilator" -nätverk, som inte uppvisar samma "minnes"-effekt. Istället, vi fann att kemiska oscillationer uppstår i mikrokapselkolonin under förhållanden som är analoga med att uppnå ett kvorum i biologiska system."

Forskarna noterar att deras resultat kan inspirera till nya mekanokänsliga material, såsom polymergeler med inbäddade QS -element som skulle aktivera ett visst kemiskt beteende vid komprimering, och stäng sedan av när du sträcker ut, eller när en viss temperatur uppnås.

"Till exempel, du kan ha en robothud som stelnar för att skydda sig själv vid en viss temperatur, och sedan blir "squishy" igen när temperaturen sjunker till en nominell nivå, ", tillägger Dr. Balazs. "Även om vårt arbete är beräkningsmässigt, resultaten visar att det är möjligt att skapa självigenkännande och självreglerande syntetiska material."