Van de kleinste cel tot de mens, de meeste organismen kunnen hun lokale bevolkingsdichtheid voelen en gedrag veranderen in drukke omgevingen. Voor bacteriën en sociale insecten, dit gedrag wordt 'quorum sensing' genoemd. Onderzoekers van de Swanson School of Engineering van de Universiteit van Pittsburgh hebben computationele modellering gebruikt om dergelijk quorumdetectiegedrag in synthetische materialen na te bootsen. wat zou kunnen leiden tot apparaten met het vermogen tot zelfherkenning en zelfregulering.

De bevindingen zijn gebaseerd op onderzoek naar biomimetische kunststoffen door Anna C. Balazs, Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering, en postdoctoraal medewerker Henry Shum, die nu assistent-professor toegepaste wiskunde is aan de Universiteit van Waterloo. Het artikel, "Synthetische quorum sensing in model microcapsule kolonies, " wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

"Quorum sensing (QS) is een onderscheidend gedrag van levende organismen waardoor ze een specifiek gedrag alleen kunnen initiëren wanneer een kritische drempel in populatiegrootte en dichtheid wordt overschreden, " Dr. Balazs legde uit. "Dit afstembare zelfbewustzijn is duidelijk zichtbaar in macrosystemen zoals bijen die een locatie voor een nieuwe bijenkorf selecteren, maar is van vitaal belang voor cellulaire systemen zoals bacteriën, die signaalmoleculen produceren en afscheiden die als "auto-inducers" fungeren zodra een specifieke populatie is bereikt. Door een biomimetische respons te creëren, kunnen synthetische materialen effectief "tellen"; dit is, te voelen en aan te passen aan hun omgeving zodra een voorgeprogrammeerde drempel is bereikt."

In een biologisch systeem, auto-inductoren in lage concentraties diffunderen weg en veroorzaken daarom geen respons. Vandaar, het systeem bevindt zich in een soort "uit"-status. Echter, wanneer de cellen een specifiek aantal of quorum bereiken, de productie van auto-inducers leidt tot een detectie en respons. Deze "aan"-toestand verhoogt de productie van het signaalmolecuul en activeert verdere metabole routes die worden getriggerd door QS, het coördineren van het koloniegedrag.

"Echter, auto-inducers hebben de neiging om de "aan"-status te behouden als ze eenmaal zijn geactiveerd, zodat het systeem minder gevoelig is voor daaropvolgende afname van de populatie, "Zei Dr. Shum. "Voor zelfregulerende materialen om hun huidige dichtheid ondubbelzinnig te bepalen, we hebben een kolonie immobiele microcapsules gemodelleerd die signaalstoffen afgeven in een 'repressilator'-netwerk, die niet hetzelfde "geheugen" -effect vertoont. In plaats daarvan, we ontdekten dat chemische oscillaties optreden in de microcapsulekolonie onder omstandigheden die analoog zijn aan het bereiken van een quorum in biologische systemen."

De onderzoekers merken op dat hun bevindingen nieuwe mechano-responsieve materialen kunnen inspireren, zoals polymeergels met ingebedde QS-elementen die een bepaald chemisch gedrag zouden activeren wanneer ze worden samengeperst, en dan uitschakelen wanneer uitgerekt, of wanneer een bepaalde temperatuur is bereikt.

"Bijvoorbeeld, je zou een robothuid kunnen hebben die stolt om zichzelf te beschermen bij een bepaalde temperatuur, en wordt dan weer "squishy" wanneer de temperatuur daalt tot een nominaal niveau, " Dr. Balazs voegt eraan toe. "Hoewel ons werk computationeel is, de resultaten laten zien dat het creëren van zelfherkennende en zelfregulerende kunststoffen mogelijk is."