Biologische cellen hebben het complexe en wonderbaarlijke vermogen om de manier waarop ze met elkaar communiceren in de loop van de tijd opnieuw te configureren en te veranderen, waardoor ze behendig kritieke functies in het menselijk lichaam kunnen sturen - van denken tot lopen tot het bestrijden van ziekten. Een grote uitdaging in de materiaalwetenschap is het ontwikkelen van nanomaterialen die aspecten van deze cellulaire functies kunnen repliceren en integreren met levende systemen. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurchemie , een team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van het Advanced Science Research Center (ASRC) van het Graduate Center van de City University of New York beschrijft hoe ze synthetische materialen hebben gemaakt met het vermogen om gedrag na te bootsen dat normaal gesproken wordt geassocieerd met levende materie.

"Het vermogen om zelf te assembleren, herconfigureren en demonteren in reactie op chemische signalen is een veelvoorkomend kenmerk in biologische materialen, maar niet in door mensen gemaakte", zei Mohit Kumar, de hoofdauteur van het artikel en een wetenschapper bij de onderzoeksgroep van Rein Ulijn bij het ASRC's Nanoscience Initiative en Hunter College. "Als je synthetische materialen wilt integreren in de biologie, een naadloze interface is wenselijk, waarvoor materialen nodig zijn die enkele eigenschappen van levende materie delen. Onze aanpak zal hopelijk de deur openen naar door de mens gemaakte materialen die kunnen interageren met levende systemen en deze kunnen repareren."

Om nanomaterialen te ontwikkelen die zich herconfigureren als reactie op chemische signalen, onderzoekers begonnen met het basismolecuul naftaleendiimide (NDI), dat is een organische halfgeleider. Het molecuul werd aan beide kanten selectief gemodificeerd door het bloot te stellen aan biochemische signalen in de vorm van eenvoudige aminozuren die aan het systeem werden toegevoegd. Een enzym werd gebruikt om de aminozuren op het kernmolecuul op te nemen, waardoor zelfmontage en demontage routes worden geactiveerd. Dit proces maakte de vorming en afbraak mogelijk van nanomaterialen met draadachtige kenmerken die elektrische signalen kunnen geleiden.

Door verschillende aminozuren te gebruiken, onderzoekers waren in staat om de ontwikkeling van nanomaterialen met verschillende eigenschappen te sturen, inclusief een programmeerbare nanostructuur met de mogelijkheid om elektrische geleiding aan en uit te zetten door het gebruik van tijdafhankelijke zelfmontage en demontage.

"Als neuronen in de hersenen, deze materialen vertonen een opmerkelijk vermogen om hun elektrische verbindingen te renoveren, " zei Allon Hochbaum, een co-auteur van de papier- en materiaalwetenschapper aan de Samueli School of Engineering, Universiteit van Californië, Irvine (UCI). "De assemblage van deze moleculen is gecodeerd in hun dynamische chemie, dus door simpelweg de chemische inputs te veranderen, we kunnen isolerende nanomaterialen waarnemen, geleidende nanomaterialen, of nanomaterialen die dynamisch schakelen tussen geleidende en niet-geleidende toestanden. Het feit dat hun assemblage en geleidbaarheid in water evolueren, maakt deze materialen des te aantrekkelijker voor bio-interfacing-toepassingen."

Financiering voor het onderzoek werd verstrekt door het Air Force Office for Scientific Research en het Army Research Office. UCI-onderzoekers ontwikkelden de apparaten voor het meten van het elektrisch geleidende vermogen van de nanomaterialen, terwijl ASRC-onderzoekers de nanomaterialen ontwikkelden. De volgende stap van het samenwerkende team is om de nieuwe nanomaterialen te koppelen aan echte neuronen om te zien hoe de door de mens gemaakte en biologische materialen op elkaar inwerken.

"We willen zien of we de dynamische elektrisch geleidende nanomaterialen kunnen gebruiken om effectief te communiceren met neuronen en te resulteren in hun on-demand elektrisch vuren, " zei Rein Ulijn, directeur van het ASRC Nanoscience Initiative. "We zijn nog vroeg in dat aspect van het werk, maar wat we tot nu toe hebben, is een opwindende doorbraak die de mogelijkheid aantoont om door de mens gemaakte materialen te maken die een complex nabootsen, dynamische activiteit van biologische systemen. Deze nieuwe nanomaterialen kunnen reageren op biologisch relevante chemische signalen en zorgen voor een elektronische interface. Op lange termijn, dit kan een nieuwe weg openen naar het ontwikkelen van behandelingen die, tot nu, zijn slechts theoretisch geweest."