Inspirerad av de sociala interaktionerna mellan myror och slemformar, Ingenjörer från University of Pittsburgh har konstruerat artificiella celler som kan organisera sig i oberoende grupper som kan kommunicera och samarbeta. Nyligen rapporterat i Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ), forskningen är ett viktigt steg mot att producera syntetiska celler som beter sig som naturliga organismer och kan utföra viktiga, mikroskala funktioner inom områden som sträcker sig från kemisk industri till medicin.
Teamet presenterar i PNAS beräkningsmodeller av papper som ger en plan för utveckling av artificiella celler - eller mikrokapslar - som kan kommunicera, flytta självständigt, och transportera "last" såsom kemikalier som behövs för reaktioner. Viktigast, de "biologiskt inspirerade" enheterna fungerar helt genom enkla fysiska och kemiska processer, beter sig som komplexa naturliga organismer men utan den komplicerade inre biokemin, sade motsvarande författare Anna Balazs, Framstående professor i kemiteknik vid Pitt's Swanson School of Engineering.
Pitt -gruppens mikrokapslar interagerar genom att utsöndra nanopartiklar på ett sätt som liknar det som används av biologiska celler signalerar för att kommunicera och samlas i grupper. Och med en nick till myror, cellerna lämnar kemiska spår när de reser, uppmanar andra mikrokapslar att följa. Balazs arbetade med huvudförfattaren tyska Kolmakov och Victor Yashin, båda postdoktorer vid Pitts avdelning för kemi- och petroleumteknik, som producerade cellmodellerna; och med Pitt professor i el- och datateknik Steven Levitan, som utarbetade den myrliknande släpningsförmågan.
Forskarna skriver att kommunikation beror på interaktionen mellan mikrokapslar som utbyter två olika typer av nanopartiklar. "Signaleringscellen" utsöndrar nanopartiklar som kallas agonister som får den andra "mål" -mikrokapseln att avge nanopartiklar som kallas antagonister.
Video av denna interaktion är tillgänglig på Pitts webbplats och visas nedan, en av flera videor av de konstgjorda cellerna som Pitt har tillhandahållit. När signalcellen (till höger) avger agonistnanopartiklarna (visas som blått), målcellen (vänster) svarar med antagonister (visas som röda) som hindrar den första cellen från att utsöndras. När signalcellen väl har vilat, målcellen slutar på samma sätt släppa antagonister - vilket får signaleringscellen att starta igen. Mikrokapslarna låses in i en cykel som motsvarar en intercellulär konversation, en dialog människor kan kontrollera genom att justera kapslarnas permeabilitet och mängden nanopartiklar de innehåller.
Rörelse resulterar när de frigjorda nanopartiklarna förändrar ytan under mikrokapslarna. Cellens polymerbaserade väggar börjar trycka på vätskan som omger kapseln och vätskan skjuts tillbaka ännu hårdare, flytta kapseln. På samma gång, nanopartiklarna från signalcellen drar den mot målcellerna. Grupper av kapslar börjar bildas när signalcellen rullar fram, plocka upp målceller. I praktisk användning, Balazs sa:signalcellen skulle kunna transportera målceller laddade med last; lagets nästa steg är att kontrollera ordningen i vilken målceller samlas in och släpps.
Forskarna justerade partikelutmatningen från signalcellen för att skapa olika cellformationer, några av dem visas i videorna som finns tillgängliga på Pitts webbplats och med den här versionen. Det första klippet - med titeln "Ant Trail Formation" - visar de släpande "myrorna, "där partikelutsöndringen i en mikrokapselgrupp fördröjs tills en annan grupp passerar förbi och aktiverar den. Det nyvaknade klustret följer sedan den kemiska rest som lämnats kvar av ledningsgruppen.
En andra film, med titeln "Dragon Formation, "visar en" drake "-formation innefattande två samverkande signalceller (visas som röda) som leder en stor grupp mål. Liknande dessa är" ormar "som består av konkurrerande signalkapslar som drar respektive linjer av målceller.
