Από το μικρότερο κύτταρο έως τον άνθρωπο, οι περισσότεροι οργανισμοί μπορούν να αισθανθούν την πυκνότητα του τοπικού πληθυσμού τους και να αλλάξουν τη συμπεριφορά τους σε αντίστοιχα περιβάλλοντα.
Για τα βακτήρια και τα έντομα, αυτή η συμπεριφορά αναφέρεται ως “ανίχνευση απαρτίας”. Οι ερευνητές στο Swanson School of Engineering του Πανεπιστημίου του Πίτσμπουργκ έχουν χρησιμοποιήσει υπολογιστικά μοντέλα για να μιμηθούν τη συμπεριφορά ανίχνευσης απαρτίας σε συνθετικά υλικά, τα οποία θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε συσκευές με δυνατότητα αυτογνωσίας και αυτορρύθμισης!
Τα ευρήματα βασίζονται στην έρευνα των βιομιμητικών συνθετικών υλικών από την Άννα Κ. Μπαλάζ, διακεκριμένη καθηγήτρια Χημικών και Πετρελαϊκής Μηχανικής και τον μεταδιδακτορικό συνεργάτη Henry Shum, ο οποίος είναι επίκουρος καθηγητής εφαρμοσμένων μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο του Waterloo.
Το άρθρο, “Συνθετική απαρτία ανίχνευσης σε αποικίες μοντέλων μικροκαψουλών”, δημοσιεύεται αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό PNAS.
“Η αίσθηση της απαρτίας (QS) είναι μια διακριτή συμπεριφορά των ζωντανών οργανισμών που τους επιτρέπει να ξεκινήσουν μια συγκεκριμένη συμπεριφορά μόνο όταν ξεπεραστεί ένα κρίσιμο όριο στο μέγεθος και την πυκνότητα του πληθυσμού”, εξήγησε η Δρ. Μπαλάζ.
“Αυτή η συντονισμένη αυτογνωσία είναι εμφανής στα μακροσκοπικά συστήματα όπως οι μέλισσες που επιλέγουν μια θέση για μια νέα κυψέλη, αλλά είναι ζωτικής σημασίας για κυτταρικά συστήματα όπως τα βακτήρια, τα οποία παράγουν και εκκρίνουν σηματοδοτικά μόρια που δρουν ως” αυτοεπαγωγείς ”
(Ως αυτεπαγωγή ονομάζεται το φαινόμενο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής κατά την οποία το σώμα που προκαλεί την επαγωγή είναι ταυτόχρονα και το σώμα στο οποίο επιδρά η επαγωγή.)
Και συνεχίζει: “Η δημιουργία μιας βιομιμητικής απόκρισης μπορεί να επιτρέψει στα συνθετικά υλικά να “μετρήσουν” αποτελεσματικά, δηλαδή να αισθάνονται και να προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους μόλις επιτευχθεί ένα προκαθορισμένο όριο”.
Σε ένα βιολογικό σύστημα, αυτοεπαγωγείς σε χαμηλές συγκεντρώσεις διαχέονται και συνεπώς δεν προκαλούν απόκριση. Ως εκ τούτου, το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση “εκτός λειτουργίας”.
Ωστόσο, όταν τα κύτταρα φθάνουν σε συγκεκριμένο αριθμό ή απαρτία, η παραγωγή αυτοεπαγωγών οδηγεί σε ανίχνευση και απόκριση. Αυτή η κατάσταση αυξάνει την παραγωγή του μορίου σηματοδότησης και ενεργοποιεί περαιτέρω μεταβολικές οδούς που ενεργοποιούνται από την αίσθηση της απαρτίας, συντονίζοντας τη συμπεριφορά των αποικιών.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να εμπνεύσουν νέα υλικά με μηχανική απόκριση, όπως πολυμερή πηκτές με ενσωματωμένα στοιχεία που θα έχουν την αίσθηση της απαρτίας που θα ενεργοποιούσαν μια συγκεκριμένη χημική συμπεριφορά όταν συμπιεστούν και στη συνέχεια να σβήνουν όταν τεντώνονται ή όταν φθάνουν μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.
“Για παράδειγμα, θα μπορούσατε να έχετε μια ρομποτική επιδερμίδα που στερεοποιείται για να προστατευθεί σε μια ορισμένη θερμοκρασία και στη συνέχεια να επανέρχεται όταν η θερμοκρασία πέσει σε κανονικό επίπεδο”, προσθέτει η Δρ. Μπαλάζ.
“Αν και η δουλειά μας είναι υπολογιστική, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι είναι δυνατή η δημιουργία αυτογνωστικών και αυτορυθμιζόμενων συνθετικών υλικών”.
με Αριθμό Μητρώου 12691
