Biologiska celler har den komplexa och mirakulösa förmågan att omkonfigurera och förändra hur de kommunicerar med varandra över tid, ger dem möjlighet att på ett smidigt sätt styra kritiska funktioner i människokroppen – från att tänka till att gå till att bekämpa sjukdomar. En stor utmaning inom materialvetenskap är att utveckla nanomaterial som kan replikera aspekter av dessa cellulära funktioner och integreras med levande system. I en tidning som publicerades idag i Naturkemi , ett team av forskare ledda av forskare vid Advanced Science Research Center (ASRC) vid Graduate Center vid City University of New York beskriver hur de har skapat syntetiska material med förmågan att efterlikna vissa beteenden som normalt förknippas med levande materia.

"Förmågan att självmontera, omkonfigurera och demontera som svar på kemiska signaler är en vanlig egenskap i biologiska material, men inte i konstgjorda sådana" sa Mohit Kumar, tidningens huvudförfattare och en vetenskapsman med Rein Ulijns forskargrupp vid ASRC:s Nanoscience Initiative och Hunter College. "Om du vill integrera syntetiska material i biologin, ett sömlöst gränssnitt är önskvärt, som kräver material som delar några av egenskaperna hos levande materia. Vårt tillvägagångssätt kommer förhoppningsvis att öppna dörren till konstgjorda material som kan interagera med och reparera levande system."

Att utveckla nanomaterial som omkonfigureras som svar på kemiska signaler, forskare började med basmolekylen naftalendiimid (NDI), som är en organisk halvledare. Molekylen modifierades selektivt på båda sidor genom att exponera den för biokemiska signaler i form av enkla aminosyror som tillsattes systemet. Ett enzym användes för att införliva aminosyrorna i kärnmolekylen, utlöser självmonterings- och demonteringsvägar. Denna process möjliggjorde bildning och nedbrytning av nanomaterial med trådliknande egenskaper som kan leda elektriska signaler.

Genom att använda olika aminosyror, forskare kunde styra utvecklingen av nanomaterial med olika egenskaper, inklusive en programmerbar nanostruktur med möjlighet att slå på och av elektrisk ledning genom användning av tidsberoende självmontering och demontering.

"Som neuroner i hjärnan, dessa material uppvisar en anmärkningsvärd förmåga att bygga om sina elektriska anslutningar, " sa Allon Hochbaum, en medförfattare till pappers- och materialvetaren vid Samueli School of Engineering, University of California, Irvine (UCI). "Sammansättningen av dessa molekyler är kodad i deras dynamiska kemi, så genom att helt enkelt ändra den kemiska inmatningen, vi kan observera isolerande nanomaterial, ledande nanomaterial, eller nanomaterial som dynamiskt växlar mellan ledande och icke-ledande tillstånd. Det faktum att deras sammansättning och konduktivitet utvecklas i vatten gör dessa material desto mer övertygande för bio-gränssnittsapplikationer."

Finansiering av forskningen tillhandahölls av flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning och arméns forskningskontor. UCI-forskare utvecklade enheterna för att mäta nanomaterialens elektriska ledningsförmåga, medan ASRC-forskare utvecklade nanomaterialen. Det samarbetsteamets nästa steg är att koppla de nya nanomaterialen till verkliga neuroner för att se hur de konstgjorda och biologiska materialen interagerar.

"Vi vill se om vi kan använda de dynamiska elektriskt ledande nanomaterialen för att effektivt samverka med neuroner och resultera i deras on-demand elektrisk avfyring, sa Rein Ulijn, chef för ASRC:s Nanoscience Initiative. "Vi är fortfarande tidigt i den aspekten av arbetet, men vad vi har hittills är ett spännande genombrott som visar möjligheten att skapa konstgjorda material som efterliknar ett komplex, dynamisk aktivitet hos biologiska system. Dessa nya nanomaterial har förmågan att svara på biologiskt relevanta kemiska signaler och tillhandahålla ett elektroniskt gränssnitt. I det långa loppet, detta kan öppna upp en ny väg mot att utveckla behandlingar som, tills nu, har bara varit teoretiska."