Een nieuwe rubberen band strekt zich uit, maar springt dan terug in zijn oorspronkelijke vorm en grootte. Weer uitgerekt, het doet hetzelfde. Maar wat als de rubberen band was gemaakt van een materiaal dat zich herinnert hoe het was uitgerekt? Net zoals onze botten sterker worden als reactie op impact, medische implantaten of protheses die uit een dergelijk materiaal zijn samengesteld, kunnen zich aanpassen aan de omgevingsdruk zoals die wordt ondervonden bij zware inspanning.

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Chicago onderzoekt nu de eigenschappen van een materiaal dat in cellen wordt aangetroffen en dat cellen in staat stelt om omgevingsdruk te onthouden en erop te reageren. In een artikel gepubliceerd op 14 mei, 2021 in Zachte materie, ze plaagden geheimen over hoe het werkt - en hoe het ooit de basis zou kunnen vormen voor het maken van bruikbare materialen.

Eiwit strengen, actinefilamenten genoemd, fungeren als botten in een cel, en een aparte familie van eiwitten, cross-linkers genaamd, houdt deze botten bij elkaar in een cellulair skelet. Uit de studie bleek dat een optimale concentratie van crosslinkers, die binden en ontbinden om de actine onder druk te laten herschikken, stelt deze skeletsteiger in staat om ervaringen uit het verleden te onthouden en erop te reageren. Dit materiële geheugen wordt hysterese genoemd.

"Onze bevindingen tonen aan dat de eigenschappen van actinenetwerken kunnen worden veranderd door hoe filamenten zijn uitgelijnd, zei Daniëlle Scheff, een afgestudeerde student bij de afdeling Natuurkunde die het onderzoek deed in het laboratorium van Margaret Gardel, Horace B. Horton hoogleraar natuurkunde en moleculaire techniek, het James Franck Instituut, en het Instituut voor Biofysische Dynamica. "Het materiaal past zich aan stress aan door sterker te worden."

Om te begrijpen hoe de samenstelling van deze cellulaire steiger de hysterese bepaalt, Scheff verwisselde een buffer met actine, geïsoleerd uit konijnenspier, en crosslinkers, geïsoleerd uit bacteriën. Ze oefende toen druk uit op de oplossing, met behulp van een instrument dat een rheometer wordt genoemd. Indien uitgerekt in één richting, de crosslinkers lieten de actinefilamenten herschikken, versterking tegen daaropvolgende druk in dezelfde richting.

Om te zien hoe hysterese afhing van de consistentie van de oplossing, ze mengde verschillende concentraties crosslinkers in de buffer.

Verrassend genoeg, deze experimenten gaven aan dat hysterese het meest uitgesproken was bij een optimale verknopingsmiddelconcentratie; oplossingen vertoonden een verhoogde hysterese naarmate ze meer cross-linkers toevoegde, maar voorbij dit optimale punt, het effect werd weer minder uitgesproken.

"Ik herinner me dat ik in het lab was de eerste keer dat ik die relatie beraamde en dacht dat er iets mis moest zijn, naar de reometer rennen om meer experimenten te doen om te controleren, ' zei Scheff.

Om de structurele veranderingen beter te begrijpen, Steven Redford, een afgestudeerde student in biofysische wetenschappen in de laboratoria van Gardel en Aaron Dinner, hoogleraar scheikunde, het James Franck Instituut, en het Instituut voor Biofysische Dynamica, creëerde een computationele simulatie van het eiwitmengsel dat Scheff in het laboratorium produceerde. In deze computationele weergave, Redford hanteerde een meer systematische controle over variabelen dan mogelijk was in het laboratorium. Door de stabiliteit van bindingen tussen actine en zijn crosslinkers te variëren, Redford toonde aan dat door unbinding actinefilamenten onder druk kunnen herschikken, afstemmen op de uitgeoefende spanning, terwijl binding de nieuwe uitlijning stabiliseert, waardoor het weefsel een "geheugen" van deze druk krijgt. Samen, deze simulaties toonden aan dat vergankelijke verbindingen tussen de eiwitten hysterese mogelijk maken.

"Mensen beschouwen cellen als erg ingewikkeld, met veel chemische feedback. Maar dit is een uitgeklede systeem waar je echt kunt begrijpen wat er mogelijk is, ' zei Gardel.

Het team verwacht dat deze bevindingen, gevestigd in een materiaal dat geïsoleerd is van biologische systemen, generaliseren naar andere materialen. Bijvoorbeeld, het gebruik van vergankelijke crosslinkers om polymeerfilamenten te binden, zou hen in staat kunnen stellen om te herschikken zoals actinefilamenten doen, en zo synthetische materialen te produceren die in staat zijn tot hysterese.

"Als je begrijpt hoe natuurlijke materialen zich aanpassen, je kunt het overdragen op synthetische materialen, ' zei Diner.