Een door de Universiteit van Bristol geleid team van internationale wetenschappers met interesse in protolerende technologieën, heeft vandaag onderzoek gepubliceerd dat de weg vrijmaakt voor het bouwen van nieuwe semi-autonome apparaten met mogelijke toepassingen in geminiaturiseerde zachte robotica, microschaaldetectie en bio-engineering.

Micro-actuatoren zijn apparaten die signalen en energie kunnen omzetten in mechanisch aangedreven bewegingen in kleinschalige structuren en die belangrijk zijn in een breed scala aan geavanceerde microschaaltechnologieën.

Normaal gesproken, micro-actuatoren vertrouwen op externe veranderingen in bulkeigenschappen zoals pH en temperatuur om herhaalbare mechanische transformaties teweeg te brengen. Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd in Natuurchemie , Professor Stephen Mann van de School of Chemistry van de Universiteit van Bristol, en het Max Planck Bristol Centre for Minimal Biology samen met collega's Drs Ning Gao, Mei Li, Liangfei Tian, Avinash Patil en Pavan Kumar in het Bristol Centre for Protolife Research demonstreren een nieuwe benadering die interne veranderingen gebruikt als trigger voor op signalen gebaseerde beweging.

In een reeks experimenten, de onderzoekers hebben met succes tienduizenden kunstmatige celachtige entiteiten (protocellen) ingebed in spiraalvormige filamenten van een polysacharide-hydrogel om kleine vrijstaande veren te produceren die van binnenuit chemisch worden aangedreven.

Het team laadde de protocellen eerst met urease - een enzym dat carbonaationen genereert wanneer het wordt geleverd met ureum - en ving vervolgens de kunstmatige cellen op in een draaiende straal calciumalginaathydrogel met behulp van een zelfgebouwd microfluïdisch apparaat.

Ze ontdekten dat de spiraalvormige filamenten zich in water beginnen af ​​te wikkelen wanneer het urease wordt ingeschakeld, en dat de snelheid van de verlenging in de lengte toenam naarmate meer carbonaationen ontsnapten uit de protocellen in de omringende hydrogel.

De koppeling van endogene chemische activiteit aan mechanische beweging was geassocieerd met het verbreken van verknopingen in de hydrogel als gevolg van verwijdering van de calciumionen door on-site vorming van calciumcarbonaatdeeltjes, wat leidde tot de langzame afgifte van elastische energie in de veerachtige microstructuren.

Omgekeerd, het terugwinnen van de calciumionen door calciumcarbonaatdeeltjes op te lossen met behulp van een tweede populatie van zuurproducerende glucose-oxidase-bevattende protocellen die buiten de filamenten waren geplaatst, keerde het afwikkelen om en herstelde de oorspronkelijke spiraalvormige spoed van de vrijstaande veren.

Op basis van deze observaties, de onderzoekers gebruikten de spiraalvormige protocelfilamenten als aandrijfas voor het uitvoeren van protocel-aangedreven mechanisch werk. Voor deze, ze bevestigden een enkele "gigantische" protocel aan elk uiteinde van de opgerolde hydrogel en gebruikten de kleine halters als vrijstaande micro-actuatoren (zie afbeelding). Urease-activiteit in de twee gigantische protocellen was voldoende om een ​​laterale extensie van de halter te veroorzaken. De beweging kan worden beperkt als een van de aangehechte gigantische protocellen glucose-oxidase bevat, die werkte om het verloren calcium in de hydrogelconnector te herstellen. Op deze manier, een reeks verschillende modi van chemisch-mechanische transductie zou in de micro-actuatoren kunnen worden geprogrammeerd door chemische signalen aan boord te verwerken.

Professor Stephen Mann, co-directeur van het Max Planck Bristol Centre for Minimal Biology (MPBC) in Bristol, zei:"We hebben al lang interesse in protolerende technologieën. Een belangrijke uitdaging is hoe protocelgemeenschappen met hun omgeving kunnen worden gekoppeld om functionele relaties te produceren. Het nieuwe werk biedt een stap in deze richting omdat het illustreert hoe endogene chemische processen kunnen worden gekoppeld aan hun energetische omgeving om een ​​programmeerbaar chemo-mechanisch microsysteem te produceren".

Dr. Ning Gao, ook aan de MPBC en de School of Chemistry aan de Universiteit van Bristol voegde toe:"We hopen dat onze aanpak de fabricage van nieuwe soorten zachte adaptieve microstructuren zal motiveren die werken via een grotere mate van autonomie."