Ett team av internationella forskare som leds av University of Bristol med intresse för protoliving-teknologier, har idag publicerat forskning som banar väg för att bygga nya semi-autonoma enheter med potentiella tillämpningar inom miniatyriserad mjuk robotik, mikroskala avkänning och bioteknik.

Mikroaktuatorer är enheter som kan omvandla signaler och energi till mekaniskt driven rörelse i småskaliga strukturer och är viktiga i en lång rad avancerade mikroskalateknologier.

I vanliga fall, mikroaktuatorer förlitar sig på yttre förändringar i bulkegenskaper som pH och temperatur för att utlösa repeterbara mekaniska transformationer. Nu, i en ny studie publicerad idag i Naturkemi , Professor Stephen Mann från University of Bristols School of Chemistry, och Max Planck Bristol Center for Minimal Biology tillsammans med kollegor Drs Ning Gao, Mei Li, Liangfei Tian, Avinash Patil och Pavan Kumar vid Bristol Center for Protolife Research demonstrerar ett nytt tillvägagångssätt som använder interna förändringar som utlösare för signalbaserad rörelse.

I en serie experiment, forskarna har framgångsrikt bäddat in tiotusentals artificiella cellliknande enheter (protoceller) i spiralformade filament av en polysackaridhydrogel för att producera små fristående fjädrar som drivs kemiskt inifrån.

Teamet laddade först protocellerna med ureas - ett enzym som genererar karbonatjoner när det tillförs urea - och fångade sedan de konstgjorda cellerna i en vridande stråle av kalciumalginathydrogel med hjälp av en hemmabyggd mikrofluidisk enhet.

De upptäckte att spiralformade filament börjar slingra sig i vatten när ureas slås på, och att hastigheten på den längsgående förlängningen ökade när fler karbonatjoner flydde från protocellerna in i den omgivande hydrogelen.

Kopplingen av endogen kemisk aktivitet till mekanisk rörelse var förknippad med brytandet av tvärbindningar i hydrogelen på grund av avlägsnande av kalciumjonerna genom bildning av kalciumkarbonatpartiklar på plats, vilket ledde till långsam frisättning av elastisk energi i de fjäderliknande mikrostrukturerna.

Omvänt, återvinning av kalciumjonerna genom att lösa upp kalciumkarbonatpartiklar med användning av en andra population av syraproducerande glukosoxidas-innehållande protoceller placerade utanför filamenten vände upplindningen och återupprättade den ursprungliga spiralformiga stigningen för de fristående fjädrarna.

Baserat på dessa observationer, forskarna använde de spiralformade protocellfilamenten som en drivaxel för att utföra protocelldrivet mekaniskt arbete. För detta, de fäste en enda "jätte" protocell i varje ände av den lindade hydrogelen och utnyttjade de små hantlarna som fristående mikromanöverdon (se bild). Ureasaktiviteten i de två jätteprotocellerna var tillräcklig för att orsaka en lateral förlängning av hanteln. Rörelsen skulle kunna begränsas om en av de bifogade jätteprotocellerna innehöll glukosoxidas, som arbetade för att återställa det förlorade kalciumet i hydrogelkontakten. På det här sättet, en rad olika metoder för kemisk-mekanisk transduktion skulle kunna programmeras in i mikromanöverdonen genom ombordbehandling av kemiska signaler.

Professor Stephen Mann, meddirektör för Max Planck Bristol Center for Minimal Biology (MPBC) i Bristol, sa:"Vi har ett långvarigt intresse för protoliving-teknologier. En viktig utmaning är hur man kan koppla protocellsamhällen till sin miljö för att skapa funktionella relationer. Det nya arbetet ger ett steg i denna riktning eftersom det illustrerar hur endogena kemiska processer kan kopplas till deras energiserade omgivningar för att producera ett programmerbart kemomekaniskt mikrosystem ".

Dr Ning Gao, även vid MPBC och School of Chemistry vid University of Bristol tillade:"Vi hoppas att vårt tillvägagångssätt kommer att motivera tillverkningen av nya typer av mjuka adaptiva mikrostrukturer som fungerar via ökade nivåer av autonomi."