Geïnspireerd door de sociale interacties van mieren en slijmzwammen, Ingenieurs van de Universiteit van Pittsburgh hebben kunstmatige cellen ontworpen die zichzelf kunnen organiseren in onafhankelijke groepen die kunnen communiceren en samenwerken. Onlangs gemeld in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ), het onderzoek is een belangrijke stap in de richting van het produceren van synthetische cellen die zich gedragen als natuurlijke organismen en belangrijke, microschaalfuncties op gebieden variërend van de chemische industrie tot de geneeskunde.

Het team presenteert in de PNAS papieren rekenmodellen die een blauwdruk bieden voor het ontwikkelen van kunstmatige cellen - of microcapsules - die kunnen communiceren, zelfstandig bewegen, en transport "vracht", zoals chemicaliën die nodig zijn voor reacties. Het belangrijkste is, de "biologisch geïnspireerde" apparaten functioneren volledig door middel van eenvoudige fysische en chemische processen, zich gedragen als complexe natuurlijke organismen, maar zonder de ingewikkelde interne biochemie, zei corresponderende auteur Anna Balazs, Distinguished Professor of Chemical Engineering in Pitt's Swanson School of Engineering.

De microcapsules van de Pitt-groep werken op elkaar in door nanodeeltjes uit te scheiden op een manier die vergelijkbaar is met die van biologische cellen om te communiceren en in groepen te assembleren. En met een knipoog naar mieren, de cellen laten chemische sporen achter terwijl ze reizen, mede-microcapsules ertoe aanzetten om te volgen. Balazs werkte samen met hoofdauteur German Kolmakov en Victor Yashin, beide postdoctorale onderzoekers in Pitt's Department of Chemical and Petroleum Engineering, wie de celmodellen produceerde; en met Pitt hoogleraar elektrische en computertechniek Steven Levitan, die het mierachtige slepende vermogen bedacht.

De onderzoekers schrijven dat communicatie afhangt van de interactie tussen microcapsules die twee verschillende soorten nanodeeltjes uitwisselen. De "signalerende" cel scheidt nanodeeltjes af die bekend staan ​​als agonisten en die de tweede "doelwit"-microcapsule ertoe aanzetten om nanodeeltjes uit te zenden die bekend staan ​​als antagonisten.

Video van deze interactie is beschikbaar op de website van Pitt en wordt hieronder weergegeven, een van de vele video's van de kunstmatige cellen die Pitt heeft geleverd. Terwijl de signaleringscel (rechts) de agonist-nanodeeltjes uitzendt (weergegeven als blauw), de doelcel (links) reageert met antagonisten (weergegeven als rood) die de secretie van de eerste cel stoppen. Zodra de signaleringscel inactief wordt, de doelcel stopt ook met het vrijgeven van antagonisten, waardoor de signalerende cel opnieuw opstart. De microcapsules raken opgesloten in een cyclus die gelijk staat aan een intercellulair gesprek, een dialoog die mensen kunnen beheersen door de permeabiliteit van de capsules en de hoeveelheid nanodeeltjes die ze bevatten aan te passen.

Beweging ontstaat doordat de vrijgekomen nanodeeltjes het oppervlak onder de microcapsules veranderen. De op polymeer gebaseerde wanden van de cel beginnen op de vloeistof rond de capsule te duwen en de vloeistof duwt nog harder terug, het verplaatsen van de capsule. Tegelijkertijd, de nanodeeltjes van de signaalcel trekken het naar de doelcellen. Groepen capsules beginnen zich te vormen terwijl de signaalcel voortrolt, doelcellen oppikken. In praktisch gebruik, Balazs zei, de signaleringscel zou met lading geladen doelcellen kunnen vervoeren; de volgende stap van het team is om de volgorde te bepalen waarin doelcellen worden verzameld en afgezet.

De onderzoekers pasten de deeltjesuitvoer van de signaalcel aan om verschillende celformaties te creëren, waarvan sommige worden getoond in de video's die beschikbaar zijn op de website van Pitt en bij deze release. De eerste clip - getiteld "Ant Trail Formation" - toont de achterblijvende "mieren, " waarbij de deeltjesafscheiding van een microcapsulegroep wordt uitgesteld totdat een andere groep voorbij komt en deze activeert. De nieuw ontwaakte cluster volgt dan het chemische residu dat is achtergelaten door de leidende groep.

Een tweede filmpje, getiteld "Dragon Formation, " geeft een "draken"-formatie weer die bestaat uit twee samenwerkende signaleringscellen (weergegeven als rood) die een grote groep doelen leiden. Vergelijkbaar met deze zijn "slangen" bestaande uit concurrerende signaleringscapsules die respectieve lijnen van doelcellen trekken.