Ispirato dalle interazioni sociali di formiche e muffe melmose, Gli ingegneri dell'Università di Pittsburgh hanno progettato cellule artificiali in grado di auto-organizzarsi in gruppi indipendenti in grado di comunicare e cooperare. Segnalato di recente in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), la ricerca è un passo significativo verso la produzione di cellule sintetiche che si comportano come organismi naturali e potrebbero svolgere importanti, funzioni su microscala in campi che vanno dall'industria chimica alla medicina.
La squadra si presenta in PNAS modelli computazionali cartacei che forniscono un modello per lo sviluppo di cellule artificiali, o microcapsule, in grado di comunicare, muoversi autonomamente, e trasportare "carico" come le sostanze chimiche necessarie per le reazioni. Più importante, i dispositivi "biologicamente ispirati" funzionano interamente attraverso semplici processi fisici e chimici, comportandosi come organismi naturali complessi ma senza la complicata biochimica interna, ha detto l'autore corrispondente Anna Balazs, Illustre professore di ingegneria chimica presso la Swanson School of Engineering di Pitt.
Le microcapsule del gruppo di Pitt interagiscono secernendo nanoparticelle in un modo simile a quello utilizzato dal segnale delle cellule biologiche per comunicare e assemblarsi in gruppi. E con un cenno alle formiche, le cellule lasciano scie chimiche mentre viaggiano, spingendo altre microcapsule a seguire. Balazs ha lavorato con l'autore principale German Kolmakov e Victor Yashin, entrambi ricercatori post-dottorato nel Dipartimento di ingegneria chimica e petrolifera di Pitt, chi ha prodotto i modelli cellulari; e con il professore di ingegneria elettrica e informatica Steven Levitan di Pitt, che ha ideato la capacità di trascinamento simile a una formica.
I ricercatori scrivono che la comunicazione dipende dall'interazione tra microcapsule che scambiano due diversi tipi di nanoparticelle. La cellula di "segnalazione" secerne nanoparticelle note come agonisti che spingono la seconda microcapsula "bersaglio" a emettere nanoparticelle note come antagonisti.
Il video di questa interazione è disponibile sul sito Web di Pitt e riportato di seguito, uno dei numerosi video delle cellule artificiali forniti da Pitt. Poiché la cellula di segnalazione (a destra) emette le nanoparticelle agoniste (mostrate in blu), la cellula bersaglio (a sinistra) risponde con antagonisti (mostrati in rosso) che impediscono alla prima cellula di secernere. Una volta che la cellula di segnalazione va in letargo, anche la cellula bersaglio smette di rilasciare antagonisti, il che fa ripartire la cellula di segnalazione. Le microcapsule vengono bloccate in un ciclo che equivale a una conversazione intercellulare, un dialogo che l'uomo potrebbe controllare regolando la permeabilità delle capsule e la quantità di nanoparticelle che contengono.
La locomozione risulta quando le nanoparticelle rilasciate alterano la superficie sotto le microcapsule. Le pareti a base di polimeri della cellula iniziano a spingere sul fluido che circonda la capsula e il fluido spinge indietro ancora più forte, spostando la capsula. Allo stesso tempo, le nanoparticelle dalla cellula di segnalazione lo tirano verso le cellule bersaglio. Gruppi di capsule iniziano a formarsi mentre la cellula di segnalazione avanza, raccogliere cellule bersaglio. Nell'uso pratico, Balaz ha detto, la cellula di segnalazione potrebbe trasportare cellule bersaglio cariche di carico; il prossimo passo del team è controllare l'ordine in cui le cellule bersaglio vengono raccolte e rilasciate.
I ricercatori hanno regolato l'uscita delle particelle della cellula di segnalazione per creare varie formazioni cellulari, alcuni dei quali sono mostrati nei video disponibili sul sito Web di Pitt e con questa versione. La prima clip, intitolata "Ant Trail Formation", mostra le "formiche, " in cui le secrezioni di particelle di un gruppo di microcapsule sono ritardate fino a quando un altro gruppo non passa e lo attiva. Il cluster appena risvegliato segue quindi il residuo chimico lasciato dal gruppo di testa.
Un secondo film, intitolato "Formazione del drago, " raffigura una formazione "drago" comprendente due cellule di segnalazione cooperanti (mostrate in rosso) che guidano un ampio gruppo di bersagli. Simili a questi sono "serpenti" costituiti da capsule di segnalazione concorrenti che tirano rispettive linee di cellule bersaglio.
