Forskare från universitetet i Freiburg har utvecklat materialsystem som är sammansatta av biologiska komponenter och polymermaterial och som kan uppfatta och bearbeta information. Dessa biohybridsystem konstruerades för att utföra vissa funktioner, såsom räknesignalpulser för att frigöra bioaktiva molekyler eller läkemedel vid rätt tidpunkt, eller för att upptäcka enzymer och små molekyler som antibiotika i mjölk. Det tvärvetenskapliga teamet presenterade sina resultat i några av de ledande tidskrifterna inom området, Inklusive Avancerade material och Material idag .

Levande system (som celler och organismer) och elektriska system (som datorer) svarar på olika indata, och har olika utmatningsmöjligheter. Dock, den grundläggande egenskapen som dessa komplexa system delar är förmågan att bearbeta information. Under de senaste två decennierna, forskare har tillämpat principerna för elektroteknik för att designa och bygga levande celler som uppfattar och bearbetar information och utför önskade funktioner. Detta område kallas syntetisk biologi, och den har många spännande tillämpningar inom det medicinska, bioteknik, energi- och miljösektorerna.

"Tack vare stora framsteg i vår förståelse av komponenterna och kabeldragningen i biologiska signalprocesser, vi är nu i ett skede där vi kan överföra biologiska moduler från syntetisk biologi till material, " förklarar ledande forskare Prof. Wilfried Weber från Biologiska fakulteten och BIOSS Center for Biological Signaling Studies. Ett avgörande steg i utvecklingen av dessa smarta materialsystem var att optimalt anpassa aktiviteten hos de biologiska byggstenarna. I likhet med datorer, inkompatibilitet mellan enskilda komponenter kan krascha hela systemet. Nyckeln till att övervinna denna utmaning var kvantitativa matematiska modeller utvecklade av prof. Jens Timmer och dr. Raphael Engesser från matematisk-fysik-fakulteten.

"En stor sak med dessa syntetiska biologi-inspirerade materialsystem är deras mångsidighet, säger Hanna Wagner, den första författaren till en av studierna och doktorand vid Spemann Graduate School of Biology and Medicine (SGBM). Det modulära designkonceptet som presenteras i dessa studier ger en plan för att konstruera biohybridmaterialsystem som kan känna av och bearbeta olika fysiska, kemiska eller biologiska signaler och utföra önskade funktioner, såsom förstärkning av signaler, lagring av information, eller kontrollerad frisättning av bioaktiva molekyler. Dessa innovativa material kan därför ha breda tillämpningar inom forskning, bioteknik och medicin.