بیومیمیک کپسول های کاتالیزوری متحرک نوسانی شیمیایی



پیچیدگی زندگی بر روی زمین از سادگی ناشی می‌شود: از اولین سلول‌های اولیه تا رشد هر موجود زنده، سلول‌های منفرد در توده‌های اساسی جمع می‌شوند و سپس ساختارهای پیچیده‌تری را تشکیل می‌دهند. سلول های اولیه فاقد ماشین آلات بیوشیمیایی پیچیده بودند. برای تکامل به موجودات چند سلولی، مکانیسم‌های ساده‌ای برای تولید سیگنال‌های شیمیایی لازم بود که سلول‌ها را وادار می‌کرد هم حرکت کنند و هم مستعمرات تشکیل دهند.

تکرار این رفتار در سیستم های مصنوعی برای پیشبرد زمینه هایی مانند رباتیک نرم ضروری است. محققان مهندسی شیمی در دانشکده مهندسی سوانسون دانشگاه پیتسبورگ این شاهکار را در جدیدترین پیشرفت خود در بیومیمیکری ثابت کرده اند.

تحقیق، “رفتار شبیه به زندگی کپسول های متحرک نوسانی شیمیایی”، در مجله Elsevier Matter (doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.063) منتشر شد. نویسنده اصلی Oleg E. Shklyaev، دانشیار فوق دکترا با Anna Balazs، استاد برجسته مهندسی شیمی و نفت و کرسی مهندسی John A. Swanson است.

ما از یک مدل کامپیوتری شامل کپسول‌های قرمز، آبی و سبز استفاده کردیم. با افزودن واکنش‌دهنده‌های مناسب، هر کپسول یکی از سه واکنش به هم پیوسته را ایجاد می‌کند که واکنش‌دهنده‌ها را به محصولات تبدیل می‌کند. اگر حجم واکنش‌دهنده‌ها با محصولات متفاوت باشد (همانطور که وجود دارد). غالباً در واکنش‌های کاتالیزوری زیستی، سیال شیب‌های چگالی را در بر می‌گیرد که به طور خود به خود نیروهای شناوری ایجاد می‌کنند. این نیروها جریان محلول اطراف را هدایت می‌کنند و کپسول‌های غوطه‌ور را به حرکت در می‌آورند.

به دلیل این رفتار پویا، کپسول ها همیشه محیط های شیمیایی و همسایگان جدیدی را تجربه می کنند. اگر کپسول‌های متحرک بیش از حد از هم فاصله داشته باشند، «شبکه‌سازی» معادل تبادل سیگنال‌های شیمیایی ثابت است و به کپسول‌ها اجازه می‌دهد از حضور دیگران «دانند»، اما اگر جریان این سه را متفاوت کند. انواع کپسول ها به اندازه کافی نزدیک به یکدیگر، “ارتباطات” شیمیایی آنها بیشتر درگیر می شود و “سه گانه” را به سمت نوسانات مکانیکی مکانیکی مکانی و زمانی سوق می دهد.

یعنی سیستم ساده ای که در ابتدا مبادله سیگنال های شیمیایی مستقل از زمان را نشان می داد، به صورت خودسازماندهی به کلنی تبدیل می شود که نوسانات شیمیایی-مکانیکی را نشان می دهد، شبیه به نوسانات cAMP جذب کننده شیمیایی در کلنی های آمیب یا حتی ضربان دوره ای یک قلب زنده. . این سیستم استقلالی شبیه به زندگی را نشان می‌دهد زیرا «سوخت» برای حرکت کپسول‌ها خود تولید می‌شود و به نوبه خود، حرکت خود به خودی سیال ارتباطات و نوسانات بیومیمتیک و جمعی کپسول را تحریک می‌کند. با واکنش دهنده ها برای تحریک کاتالیز، بقیه فرآیندها توسط خود سیستم انجام می شود.

واکنش‌های به هم پیوسته خاصی که روی کپسول‌های مدل عمل می‌کنند، یک حلقه بازخورد منفی الهام‌گرفته از زیستی را تشکیل می‌دهند (“سرکوبگر”)، که در آن هر کپسول تولید شیمیایی را توسط کپسول بعدی در حلقه سرکوب می‌کند. مدل سرکوب کننده برای شبیه سازی موفقیت آمیز و درک بیشتر ارتباطات (حس نصاب) در کلنی های باکتری استفاده شد. در حالت “خفته”، زمانی که کپسول ها به اندازه کافی از یکدیگر دور هستند، کپسول های جفت شده از طریق حلقه بازخورد نوسانی را نشان نمی دهند، بلکه خروجی شیمیایی ثابت و حرکت انتقالی را در سیال ایجاد می کنند. در نهایت، کپسول‌های متحرک با همسایگان جدید تماس پیدا می‌کنند و کلونی را تشکیل می‌دهند که یک واکنش جمعی بیومیمتیک را نشان می‌دهد: یک سیگنال شیمیایی نوسانی همراه با نوسانات مکانیکی اجزای سازنده.

بالاز خاطرنشان می کند که در حالی که سیستم میکروکپسول آنها هیچ انگیزه ای را در بر نمی گیرد، به نظر می رسد که به دلیل قوانین ساده تحمیل شده بر سیستم و وارد کردن واکنش دهنده ها (مواد مغذی) به محلول، عملکردهای بیولوژیکی اساسی را تکرار می کند. به عبارت دیگر، نوسانات شیمیایی-مکانیکی به ظاهر پیچیده می تواند ناشی از مکانیسم های ساده ای باشد که ذاتاً در محلول های شیمیایی رخ می دهد.

او گفت: “هنگام توسعه سیستم های راه دور و ماشین های کوچک، شما می خواهید سیستم ها تا حد امکان مستقل باشند و بدون نیاز به برنامه نویسی و سخت افزار پیچیده عمل کنند.” ما نشان داده‌ایم که فرآیندهای شیمیایی ساده همراه با نیروهای شناوری که به طور طبیعی در محلول‌های شیمیایی به وجود می‌آیند، دستورالعمل‌هایی را برای ذرات فراهم می‌کنند تا سیستم‌ها و حرکات پیچیده را تشکیل دهند، به طور بالقوه، درست مانند اشکال اولیه حیات.

منبع:

مرجع مجله:

شکلیایف، OE، و همکاران (2022) رفتار واقعی کپسول های متحرک در حال نوسان شیمیایی. موضوع. doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.063.



منبع