Biomimética de cápsulas catalíticas móveis quimicamente oscilantes

A complexidade da vida na Terra decorre da simplicidade: desde a primeira célula primitiva até o crescimento de qualquer organismo, células individuais se agregam em aglomerados básicos e depois formam estruturas mais complexas. As primeiras células careciam de mecanismos bioquímicos complexos; para evoluir para organismos multicelulares, eram necessários mecanismos simples para gerar sinais químicos que levavam as células a se mover e formar colônias.

Replicar esse comportamento em sistemas sintéticos é necessário para avançar em campos como a robótica suave. Pesquisadores de engenharia química da Swanson School of Engineering da Universidade de Pittsburgh estabeleceram a façanha em um recente avanço na biomimética.

O estudo, “Comportamento realista de cápsulas móveis quimicamente oscilantes”, foi publicado na revista Elsevier Matter (doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.063). O autor principal é Oleg E. Shklyaev, Anna Balazs Associada de Pós-Doutorado, Distinguished Professor de Química e Engenharia de Petróleo e John A. Swanson Chair em Engenharia.

“Usamos um modelo de computador envolvendo cápsulas vermelhas, azuis e verdes. Ao adicionar os reagentes apropriados, cada cápsula desencadeia uma das três reações interconectadas que convertem os reagentes em produtos. Se o volume de reagentes Ao contrário do produto (como é frequentemente o caso em reações biocatalíticas), o fluido conterá gradientes de densidade, que geram espontaneamente forças de empuxo que impulsionam o fluxo da solução circundante e impulsionam a cápsula submersa.

Devido a esse comportamento dinâmico, as cápsulas estão sempre experimentando novos ambientes químicos e vizinhos. Se as cápsulas móveis estiverem muito distantes, a ‘rede’ equivale a trocar sinais químicos constantes, deixando as cápsulas ‘saber’ a presença de outra pessoa”, explica Shklyaev. entre si, sua “comunicação” química torna-se mais complexa, fazendo com que as “tríades” sofram oscilações químico-mecânicas no espaço e no tempo.

Ou seja, um sistema simples caracterizado inicialmente pela troca de sinais químicos independente do tempo, se auto-organiza em uma colônia que apresenta oscilações quimiomecânicas, semelhantes às do quimioatrativo cAMP em colônias de ameba, e até mesmo o ciclo de um coração vivo. batidas. O sistema exibe autonomia realista porque o “combustível” para o movimento da cápsula é autogerado, e o movimento espontâneo do fluido, por sua vez, facilita a comunicação da cápsula e as oscilações coletivas biomiméticas. A catálise é iniciada com os reagentes e o restante do processo é feito pelo próprio sistema.

As respostas específicas interconectadas que atuam nas cápsulas modelo formam um loop de feedback negativo biologicamente inspirado (“supressor”) no qual cada cápsula inibe a produção química da próxima cápsula no ciclo. O modelo de repressor é usado para simular com sucesso e entender melhor a comunicação (quorum sensing) em colônias bacterianas. No estado de “sono”, quando as cápsulas estão suficientemente afastadas umas das outras, as cápsulas acopladas através do circuito de feedback não oscilam, mas produzem uma saída química constante e um movimento de translação através do fluido. Em última análise, as cápsulas móveis entram em contato com novos vizinhos e formam um enxame que exibe uma resposta coletiva biomimética: sinais químicos oscilantes que acompanham as oscilações mecânicas dos componentes.

Balazs observou que, embora seu sistema de microencapsulação não contenha motivação, parece replicar funções biológicas básicas devido às regras simples impostas ao sistema e à introdução de reagentes (nutrientes) na solução. Em outras palavras, oscilações químico-mecânicas aparentemente complexas podem ser causadas por mecanismos simples inerentes a soluções químicas.

“Ao desenvolver sistemas remotos e pequenas máquinas, você quer que o sistema seja o mais autônomo possível, para operar sem programação e hardware complexos”, disse ela. “Mostramos que processos químicos simples combinados com flutuabilidade ocorrem naturalmente em soluções químicas, fornecendo orientação para partículas formarem sistemas e movimentos complexos que podem ter sido como as primeiras formas de vida”.

recurso:

Referências do jornal:

Shklyayev, OE, Espere. (2022) Comportamento realista de cápsulas móveis quimicamente oscilantes. matéria. doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.063.

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