Biologische systemen zijn echt representatief voor een complex macroscopisch fenomeen, wordt acuut gecontroleerd door microscopisch kleine chemische reactienetwerken. Terwijl wetenschappers een levensecht, adaptief en responsief materiaal proberen te creëren, het onderzoek naar synthetische nabootsingen van rudimentaire biologische processen is geïntensiveerd.

Een zo'n biologisch proces is de gecontroleerde groei van cytoskeleteiwitten. Behalve dat het fungeert als een nanoskelet om de celvorm te behouden, assemblages van deze eiwitten zijn verantwoordelijk voor de distributie van voedingsstoffen in een cel. Dus, ze controleren bijna elk belangrijk proces in de cel, van deling naar krachtverdeling. Het zou veilig zijn om aan te nemen dat de assemblagecontroleroutes van deze eiwitten een belangrijke bijdrage leveren aan het adaptieve en responsieve gedrag van een cel. Het belangrijkste onderdeel van dit proces is een ATP-aangedreven metabolisch systeem dat de snelheid van groei en verval van deze assemblages op een tijdgerelateerde manier programmeert. Er wordt ook nauw toezicht gehouden op de grootte van deze assemblages, aangezien de grootte rechtstreeks verband houdt met de functionele efficiëntie van een systeem.

In een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , wetenschappers van het Jawaharlal Nehru Center for Advanced Science and Research (JNCASR) en het Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine (inStem) creëerden een minimalistische synthetische nabootsing van cytoskeletnetwerken met structurele en temporele programmering. Het werk richt zich op reactiegedreven gecontroleerde groei van een monomeer moleculair systeem met twee componenten.

"Dit synthetische monomeersysteem is elegant ontworpen om aanleiding te geven tot een primaire reactie die een inactief (niet-assemblerend) monomeersysteem zou omzetten in een actief (dat assemblage veroorzaakt) bij toevoeging van alkylaminen (brandstof), " zei Dr. Subi George, universitair hoofddocent bij JNCASR.

Ze laten zien dat deze reactie kan worden gebruikt om de eendimensionale groei (nanovezels) van resulterende assemblages nauwkeurig te beheersen door gecontroleerde beschikbaarheid van brandstof. De groei van deze nanovezelstructuren wordt aangedreven door zeer zwakke intermoleculaire interacties (supramoleculaire polymerisatie), zoals hydrofobe reacties vergelijkbaar met lipidedubbellagen in membranen en aromatische interacties vergelijkbaar met stapeling van nucleobasen in DNA, en zijn daarom zeer dynamisch en hebben zelfherstellende eigenschappen zoals veel biologische samenstellingen.

"Terwijl biologische systemen zelfassemblage elegant moduleren met een grote precisie, het verlenen van tijdelijke en levende polymerisatie-eigenschappen in chemische amfifielen was tot nu toe een ontmoedigende taak. Het ontwerp van een in-situ vormend amfifiel stelde ons in staat om de dynamisch geassembleerde structuren naar believen te bestuderen, " zei Dr. Praveen Kumar Vemula.

Door gedetailleerde spectroscopische en microscopische analyses, ze hebben vastgesteld dat deze groei in de natuur "levend" is, resulterend in assemblages met een zeer smalle grootteverdeling (monodispers). Het systeem werd verder ontwikkeld door de groei te koppelen aan uniek gekozen chemische scenario's, zodat controle over de groei en demontagekinetiek tot stand kwam. Als resultaat, een tijdgeprogrammeerd tijdelijk netwerk van vezelachtige assemblages werd gerealiseerd. In beide gevallen, de manipulatie van belangrijke temporele kenmerken lag in het bereik van enkele seconden tot duizenden seconden. Deze studie vormt dus een belangrijke stap in de ontwikkeling van adaptieve, levensecht, supramoleculaire materialen.

"Wij hebben, Voor de eerste keer, aangetoond dat elk temporeel kenmerk van supramoleculaire polymerisatie chemisch kan worden gecontroleerd en verder kan worden gekoppeld aan andere deelnemende reacties vergelijkbaar met een biologisch systeem, " zei Ankit Jain, hoofdauteur van het artikel.

"Het was fascinerend om de zelf-geassembleerde nano-architecturen te besturen met behulp van stimuli zoals enzymen en pH, " zegt Ashish Dhayani, auteur van het blad.

"Dit werk is een belangrijke vooruitgang om bio-mimetische actieve systemen te ontwerpen die werken onder onevenwichtige omstandigheden, met spatio-temporele programmering in vergelijking met de meerderheid van de tot nu toe gerapporteerde synthetische passieve systemen, die werken onder thermodynamisch evenwicht met alleen ruimtelijke complexiteit, " zei Shikha Dhiman, co-auteur van het artikel.

De volgende uitdaging is het bouwen van synthetische levensechte systemen die kunnen denken, leren en aanpassen zoals levende wezens doen. Deze studie is zo'n eerste stap, maar er is nog veel onderzoek nodig om natuurlijke processen volledig na te bootsen. Het team hoopt dit principe toe te passen en deze dynamische zelfassemblage nano-architecturen in biologische systemen te gebruiken.