Dalla cellula più piccola all'uomo, la maggior parte degli organismi può percepire la propria densità di popolazione locale e modificare il comportamento in ambienti affollati. Per batteri e insetti sociali, questo comportamento viene definito "rilevamento del quorum". I ricercatori della Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh hanno utilizzato la modellazione computazionale per imitare tale comportamento di rilevamento del quorum nei materiali sintetici, che potrebbe portare a dispositivi con la capacità di auto-riconoscimento e autoregolazione.

I risultati si basano sulla ricerca sui materiali sintetici biomimetici di Anna C. Balazs, Illustre Professore di Ingegneria Chimica e Petrolifera, e associato post-dottorato Henry Shum, che ora è assistente professore di matematica applicata all'Università di Waterloo. L'articolo, "Rilevamento sintetico del quorum in colonie modello di microcapsule, " è pubblicato questa settimana sulla rivista PNAS .

"Il quorum sensing (QS) è un comportamento distintivo degli organismi viventi che consente loro di avviare un comportamento specifico solo quando viene superata una soglia critica nella dimensione e nella densità della popolazione, " ha spiegato il dott. Balazs. "Questa autocoscienza sintonizzabile è evidente nei sistemi macro come le api che selezionano un sito per un nuovo alveare, ma è vitale per i sistemi cellulari come i batteri, che producono e secernono molecole di segnalazione che agiscono come "autoinduttori" una volta raggiunta una popolazione specifica. La creazione di una risposta biomimetica può consentire ai materiali sintetici di "contare" efficacemente; questo è, per percepire e adattarsi al loro ambiente una volta raggiunta una soglia preprogrammata."

In un sistema biologico, gli autoinduttori a basse concentrazioni si diffondono e quindi non innescano la risposta. Quindi, il sistema è in un tipo di stato "off". Però, quando le celle raggiungono un numero o quorum specifico, la produzione di autoinduttori porta ad una rilevazione e risposta. Questo stato "on" aumenta la produzione della molecola di segnalazione e attiva ulteriori vie metaboliche che vengono innescate da QS, coordinare il comportamento della colonia.

"Però, gli autoinduttori tendono a mantenere lo stato "on" una volta attivati ​​quindi il sistema è meno sensibile alle successive diminuzioni della popolazione, " ha detto il dottor Shum. "Affinché i materiali autoregolanti determinino senza ambiguità la loro densità attuale, abbiamo modellato una colonia di microcapsule immobili che rilasciano sostanze chimiche di segnalazione in una rete di "repressilatori", che non esibisce lo stesso effetto "memoria". Anziché, abbiamo scoperto che le oscillazioni chimiche emergono nella colonia di microcapsule in condizioni analoghe al raggiungimento del quorum nei sistemi biologici".

I ricercatori fanno notare che le loro scoperte potrebbero ispirare nuovi materiali meccano-reattivi, come gel polimerici con elementi QS incorporati che attiverebbero un certo comportamento chimico quando compressi, e poi spegnere quando allungato, o quando viene raggiunta una temperatura specifica.

"Per esempio, potresti avere una pelle robotica che si solidifica per proteggersi a una certa temperatura, e poi ridiventa "soffice" quando la temperatura scende a un livello nominale, " aggiunge il dottor Balazs. "Anche se il nostro lavoro è computazionale, i risultati mostrano che la creazione di materiali sintetici auto-riconoscibili e autoregolanti è possibile."