Biologiska system är verkligen representativa för ett komplext makroskopiskt fenomen, som är akut kontrollerad av mikroskopiska kemiska reaktionsnätverk. När forskare försöker skapa ett verklighetstroget adaptivt och lyhörd material, forskningen har intensifierats om syntetiska härmar av rudimentära biologiska processer.

En sådan biologisk process är den kontrollerade tillväxten av cytoskeletala proteiner. Förutom att fungera som ett nanoskelett för att bibehålla cellformen, sammansättningar av dessa proteiner är ansvariga för att distribuera näringsämnen inuti en cell. Således, de kontrollerar nästan alla viktiga processer inuti cellen, från division till kraftfördelning. Det skulle vara säkert att anta att sammansättningskontrollvägar för dessa proteiner är en nyckelfaktor i en cells adaptiva och responsiva beteende. Nyckeldelen av denna process är ett ATP-drivet metaboliskt system som programmerar tillväxten och sönderfallet av dessa sammansättningar på ett tidsrelaterat sätt. Noggrann kontroll upprätthålls också av storleken på dessa sammansättningar eftersom storleken direkt relaterar till den funktionella effektiviteten hos ett system.

I en studie som nyligen publicerades i Naturkommunikation , forskare från Jawaharlal Nehru Center for Advanced Science and Research (JNCASR) och Institutet för stamcellsbiologi och regenerativ medicin (inStem) skapade en minimalistisk syntetisk mimik av cytoskelettnätverk med strukturell och tidsmässig programmering. Arbetet fokuserar på reaktionsdriven kontrollerad tillväxt av ett tvåkomponents monomert molekylsystem.

"Detta syntetiska monomera system är elegant designat för att ge upphov till en primär reaktion som skulle omvandla ett inaktivt (icke-monterande) monomert system till ett aktivt (som utlöser montering) vid tillsats av alkylaminer (bränsle), " sa Dr Subi George, docent vid JNCASR.

De visar att denna reaktion kan användas för att exakt styra den endimensionella tillväxten (nanofibrer) av resulterande enheter genom kontrollerad tillgänglighet av bränsle. Tillväxten av dessa nanofibrösa strukturer drivs av mycket svaga intermolekylära interaktioner (supramolekylär polymerisation) såsom hydrofoba reaktioner som liknar lipidbilager i membran och aromatiska interaktioner som liknar stapling av nukleobaser i DNA, och är därför mycket dynamiska och har självreparerande funktioner som många biologiska sammansättningar.

"Medan biologiska system elegant modulerar självmontering med stor precision, Att ge övergående och levande polymerisationsegenskaper i kemiska amfifiler har hittills varit en svår uppgift. Design av en in-situ-bildande amfifil gjorde det möjligt för oss att studera de dynamiska sammansatta strukturerna efter behag, " sa Dr Praveen Kumar Vemula.

Genom detaljerade spektroskopiska och mikroskopiska analyser, de etablerade denna tillväxt för att vara "levande" i naturen, vilket resulterar i sammansättningar med mycket snäv storleksfördelning (monodispergerade). Systemet utvecklades vidare genom att koppla tillväxten med unikt utvalda kemiska scenarier så att kontroll över tillväxt- och demonteringskinetiken etablerades. Som ett resultat, ett tidsprogrammerat transientnätverk av fibrösa sammansättningar realiserades. I båda fallen, manipuleringen av viktiga tidsmässiga egenskaper var från intervallet några sekunder till tusentals sekunder. Denna studie representerar således ett nyckelsteg i utvecklingen av adaptiv, levande, supramolekylära material.

"Vi har, för första gången, visat att varje temporal egenskap hos supramolekylär polymerisation kan kontrolleras kemiskt och vidare kopplas till andra deltagande reaktioner som liknar ett biologiskt system, sa Ankit Jain, huvudförfattare till tidningen.

"Att kontrollera de självmonterade nano-arkitekturerna med hjälp av stimuli som enzymer och pH har varit fascinerande, " säger Ashish Dhayani, författare till tidningen.

"Detta arbete är ett betydande framsteg för att designa biomimetiska aktiva system som fungerar under förhållanden utanför jämvikt, med spatio-temporal programmering jämfört med majoriteten av de syntetiska passiva systemen som hittills rapporterats, som arbetar under termodynamisk jämvikt med endast rumslig komplexitet, " sa Shikha Dhiman, medförfattare till tidningen.

Nästa utmaning är att bygga syntetiska verklighetstrogna system som kan tänka, lära sig och anpassa sig som levande varelser gör. Denna studie är ett sådant första steg, men det krävs fortfarande mycket undersökning för att helt efterlikna naturliga processer. Teamet hoppas kunna tillämpa denna princip och använda dessa dynamiska självmonterande nanoarkitekturer i biologiska system.