Rilevamento, elaborazione delle informazioni e generazione di funzioni programmabili. La rappresentazione schematica della logica booleana regola le funzioni spazio-temporali in fuori equilibrio in (A) un sistema vivente (una singola cellula) e (B) in sistemi di logica chimica fuori equilibrio (CLS) non viventi progettati artificialmente. Credito:POSTECH
La capacità di elaborare le informazioni ottenute dal loro ambiente immediato aiuta gli organismi a svolgere compiti difficili. Anche la forma di vita più semplice (una singola cellula), può percepire vari stimoli chimici e fisici ed elaborare queste informazioni attraverso la loro complessa logica intracellulare intrinseca per svolgere funzioni cellulari complicate come la divisione cellulare, la motilità cellulare e il trasporto di merci.
Negli ultimi anni, l'obiettivo di sviluppare sistemi artificiali simili alla vita ha portato all'esplorazione di reazioni chimiche complesse, che risiedono in uno stato fuori equilibrio. Tuttavia, lo sfruttamento del potenziale completo di tali sistemi, per quanto riguarda la loro capacità di elaborare informazioni da più stimoli esterni ed eseguire funzioni spaziotemporali programmabili, rimane inesplorato. Gli scienziati del Center for Self-assembly and Complexity (CSC), l'Institute for Basic Science (IBS, Corea del Sud), hanno ora escogitato sistemi chimici fuori equilibrio, che possono percepire molteplici stimoli esterni (ad es. luce, suono, ossigeno atmosferico) ed elaborare queste informazioni per eseguire funzioni spaziotemporali programmabili e realistiche.
I ricercatori hanno soprannominato questi "sistemi logici chimici" (CLS), poiché le informazioni fornite a questi sistemi da più input esterni vengono elaborate seguendo la logica booleana per arrivare al risultato desiderato. I ricercatori descrivono due CLS in questo studio, uno dei quali porta alla formazione di modelli chimici spaziotemporali programmabili e l'altro risulta nel movimento spaziotemporale programmabile di un carico galleggiante. "Scegliere i sistemi appropriati fuori equilibrio è un aspetto importante nello sviluppo di CLS. Lavorare a questo progetto è stato davvero divertente perché la maggior parte delle volte siamo stati in grado di prevedere i risultati sperimentali in base al programma che abbiamo impostato", spiega Seoyeon Choi , uno studente laureato presso POSTECH e il primo autore di questo studio.
I ricercatori hanno progettato per la prima volta CLS-1 sulla base della chimica redox del metil viologeno (MV 2+ ), che è noto per essere ridotto alla sua forma cationica radicale (MV •+ ) mediante irraggiamento di luce visibile, in presenza di un fotosensibilizzante e di un riducente sacrificale. Esponendo la soluzione CLS-1 di colore giallo presa in una capsula di Petri con luce visibile, suono udibile e ossigeno atmosferico, prima è diventata verde scuro e poi si è gradualmente riorganizzata in uno schema spaziotemporale costituito da anelli concentrici verde scuro e gialli (un'uscita desiderata). L'assenza di uno qualsiasi dei tre segnali di ingresso porta a un'uscita indesiderata, ad esempio un pattern chimico casuale. I risultati suggerivano chiaramente che CLS-1 mostrava una risposta di porta logica AND verso i tre ingressi:luce, suono e ossigeno. I gradienti chimici all'interno dei modelli spaziotemporali potrebbero essere ulteriormente ottimizzati utilizzando una fotomaschera durante il processo di fotoirradiazione.
Sistemi logici chimici che esibiscono funzioni programmabili. CLS-1, basato sulla chimica redox del metil viologeno, genera modelli spaziotemporali programmabili. CLS-2 si basa sull'autoassemblaggio fotosensibile basato su peptidi che porta al movimento programmabile di un carico galleggiante. Credito:POSTECH
Navigazione leggera e sonora di un carico attraverso un labirinto. (A) AND porta logica con luce e Audio-I come input produce movimento orbitale. Il programma è rappresentato da un riquadro rosso. La porta logica AND con luce e Audio-II come ingressi produce un breve movimento radiale. Il programma è rappresentato da un riquadro blu. (B) Fotografie a diversi intervalli di tempo che mostrano la navigazione riuscita di un carico passivo galleggiante attraverso il labirinto aiutato da una sequenza programmata di applicazione di input luminosi e sonori. Credito:POSTECH
Il team ha quindi esplorato il CLS-2 che mostrava una dissoluzione rapida e reversibile di un assemblaggio di basi peptidiche in risposta all'irradiazione della luce blu. Ciò è stato accompagnato da un cambiamento reversibile nella tensione superficiale della soluzione, con conseguente effetto Marangoni indotto, che può essere utilizzato per spingere un carico galleggiante su una superficie della soluzione. I ricercatori hanno quindi eseguito tale movimento del carico in presenza di un suono udibile e hanno osservato che la topografia ad anello concentrica generata dalla superficie della soluzione ha agito come tracce modellate per il movimento spaziotemporale controllato di un carico galleggiante (perline di polistirolo). The cargo movement could be effectively programmed only when light and audible sound were simultaneously irradiated, CLS-2 therefore exhibited an AND logic-gate response towards the two input stimuli.
The authors further observed that the at least two different types of cargo movement could be achieved by controlling the parameters of the audible sound input. A sound input of 38 Hz and 0.06 g (Audio-I) resulted in an orbital motion of the cargo along the circular tracks. On the other hand, with a slightly tweaked sound input (42 Hz and 0.08 g; Audio-II) a short distance radial motion of the cargo was observed. The application of the two input signals was further combined in such a way to execute a predetermined sequence of orbital and short radial motion of the cargo, which resulted in an even higher level or complicated functions such as navigating a cargo through a maze.
According to Dr. Mukhopadhyay, a co-corresponding author in this work who led this study, "Designing the maze was a real challenge for us. A conventional maze with real physical barriers would have interfered with the Faraday wave formation. To circumvent this issue, we thought of using a maze shaped photomask and projected it over the CLS-2 solution. This helped us in navigating the floating cargo only along a complex predetermined path, where it was dually exposed to light irradiation and sound waves."
The researchers at the CSC-IBS believe that the present strategy of exploiting audible sound and light in combo to maneuver a cargo through a maze, avoiding the conventional methods based on chemotaxis, phototaxis, magnetotaxis, etc., adds a new tool for researchers to develop materials exhibiting life-like properties and in the field of systems chemistry in general. Prof. Kimoon Kim, Director of the Center for Self-assembly and Complexity, who supervised the overall research opines, "The development of out-of-equilibrium CLSs can be one of the missing pieces of a very complex jigsaw puzzle that can connect the living and the non-living domains. The present result is just a small step in this direction, to achieve a similar level of complexity of CLSs that operate within a cell remains a distant goal." He laughs and adds further, "At present, the chemicals act merely as characters provided with a programmed script. Perhaps, like a movie director, I can command—Light… Sound… and Action!"
The results of this study were published on May 13 in Chem . + Esplora ulteriormente
