Oljedroppar kan fås att fungera som rovdjur, jagar ner andra droppar som flyr som ett byte. Uppförandet, som styrs av kemisk signalering som produceras av dropparna, härmar beteende som ses bland levande organismer men, tills nu, hade inte återskapats i syntetiska system. Detta avstämbara kemiska system skulle potentiellt kunna tjäna en modell för att hjälpa till att förstå interaktioner i många kroppssystem som fiskstim, bakteriekolonier, eller svärmar av insekter.

Ett internationellt team av forskare under ledning av forskare från Penn State beskriver systemet i en artikel som publicerades den 16 november, 2020 i tidningen Naturkemi.

"Genom att kontrollera oljedropparnas kemi, vi kan skapa ett system där dropparna beter sig aktivt och kommunicerar med varandra genom kemiska gradienter, sa Lauren Zarzar, biträdande professor i kemi vid Penn State och ledaren för forskargruppen. "Det spännande vi hittade är att du kan designa ett system av droppar som uppvisar "icke-ömsesidiga" interaktioner. Den ena droppen attraheras av den andra, medan den andra stöts bort, liknande beteendet hos rovdjur och bytesdjur."

Forskarna placerar små droppar av de två olika oljorna i en lösning av vatten och ett ytaktivt ämne - en förening som vanligtvis finns i tvål som sänker ytspänningen hos vätskor. En av oljorna löser sig lättare i den ytaktiva lösningen, vilket får dessa droppar att avge en kemisk gradient av oljemolekyler till sin omgivning. Droppar stöts bort av den upplösta oljan.

"Inledningsvis är detta moln av olja runt dropparna i grunden symmetriskt och dropparna rör sig inte, sa Caleb Meredith, en doktorand vid Penn State och medförfattare till uppsatsen. "Men det vi upptäckte är att bytesdropparna faktiskt kan ta upp en del av oljan som släpps ut av rovdjursdropparna, inrätta ett källa-sänkutbyte av olja mellan dropparna. När dropparna kommer tillräckligt nära, det skapar en asymmetri i den kemiska gradienten mellan de två dropparna och gör att rovdjursdroppen rör sig mot bytet, sätter igång en jakt."

Asymmetrin hos den oljekemiska gradienten som genereras av källan och sänkan orsakar en skillnad i ytspänningen över ytan av både rovdjurs- och bytesdroppar. Gradienten får rovdjursdroppen (källan) att röra sig mot bytesdroppen (sjunka). Liknande, på grund av effekten av rovdjurets emitterade kemiska gradient, bytet stöts bort av det annalkande rovdjuret.

"Ett av de överraskande resultaten är att de två oljedropparna inte behöver vara väldigt olika kemiskt från varandra för att framkalla detta beteende, ", sa Zarzar. "Vi tittade på en mängd olika kemiska sammansättningar för oljorna och det ytaktiva ämnet, vilket gjorde det möjligt för oss att upprätta en uppsättning regler som styr dessa interaktioner. Vi kan använda dessa regler för att justera styrkan i interaktionerna genom att kontrollera sammansättningen av droppoljorna eller ytaktivt ämne."

Forskargruppen utvecklade också en modell, som baseras på mätningar av hastigheterna för jaga mellan enskilda par av droppar, kunde exakt simulera rörelsen hos många droppar och visa hur de organiserar sig i större kluster som rör sig på en mängd olika sätt.

"De ser verkligen ut för mig som om de lever ibland, " sa Meredith. "När flera droppar samlas till kluster kan de börja rotera, stanna och gå, rör sig i spiraler, och till och med delas isär i mindre kluster."

Forskarna säger att genom att förstå vilka typer av regler som styr dessa interaktioner, deras system skulle så småningom kunna användas för att experimentellt modellera många kroppssystem, allt från beteendet hos ett stort antal djur till de interaktioner som kan ha spelat en roll i utvecklingen av det tidiga livet.

"Det vi gör är verkligen grundläggande, grundforskning där motivationen är att förstå de processer i arbetet som kan styra aktiviteten hos livlösa saker som oljedropparna, sade Zarzar. Men, dessa idéer kan användas inom andra områden, som självmontering, gruppbeteenden, och även i att tänka på livets ursprung på jorden där blandningar av enkla kemiska komponenter på något sätt var tvungna att organisera sig i icke-jämviktsstrukturer. Klart, vi tittar inte på samma kemikalier, men vi kanske kan fastställa parametrar eller villkor som, till exempel, ge upphov till liknande typer av interaktioner som inträffade."