As células biológicas têm a capacidade complexa e milagrosa de reconfigurar e mudar a forma como se comunicam umas com as outras ao longo do tempo, permitindo-lhes dirigir com agilidade funções críticas no corpo humano - desde pensar a caminhar e lutar contra doenças. Um grande desafio na ciência dos materiais é desenvolver nanomateriais que podem replicar aspectos dessas funções celulares e se integrar com sistemas vivos. Em um artigo publicado hoje em Química da Natureza , uma equipe de pesquisadores liderada por cientistas do Advanced Science Research Center (ASRC) no The Graduate Center da City University of New York detalha como eles criaram materiais sintéticos com a capacidade de imitar alguns comportamentos normalmente associados à matéria viva.

"A capacidade de auto-montagem, reconfigurar e desmontar em resposta a sinais químicos é uma característica comum em materiais biológicos, mas não nos feitos pelo homem ", disse Mohit Kumar, o autor principal do artigo e um cientista do grupo de pesquisa de Rein Ulijn na Iniciativa de Nanociência do ASRC e no Hunter College. "Se você quiser integrar materiais sintéticos à biologia, uma interface perfeita é desejável, que requer materiais que compartilham algumas das propriedades da matéria viva. Esperamos que nossa abordagem abra a porta para materiais feitos pelo homem que podem interagir e reparar sistemas vivos. "

Para desenvolver nanomateriais que se reconfiguram em resposta a sinais químicos, pesquisadores começaram com a molécula de base naftalenodiimida (NDI), que é um semicondutor orgânico. A molécula foi modificada seletivamente em ambos os lados, expondo-a a sinais bioquímicos na forma de aminoácidos simples que foram adicionados ao sistema. Uma enzima foi usada para incorporar os aminoácidos à molécula central, desencadeando vias de auto-montagem e desmontagem. Este processo permitiu a formação e degradação de nanomateriais com características semelhantes a fios capazes de conduzir sinais elétricos.

Usando diferentes aminoácidos, pesquisadores foram capazes de direcionar o desenvolvimento de nanomateriais com diferentes propriedades, incluindo uma nanoestrutura programável com a capacidade de ligar e desligar a condução elétrica por meio do uso de automontagem e desmontagem dependente do tempo.

"Como neurônios no cérebro, esses materiais exibem uma capacidade notável de remodelar suas conexões elétricas, "disse Allon Hochbaum, um co-autor do artigo e cientista de materiais na Escola de Engenharia Samueli, Universidade da Califórnia, Irvine (UCI). "A montagem dessas moléculas é codificada em sua química dinâmica, então, simplesmente mudando as entradas químicas, podemos observar nanomateriais isolantes, nanomateriais condutores, ou nanomateriais que alternam dinamicamente entre estados condutores e não condutores. O fato de que sua montagem e condutividade evoluem na água torna esses materiais ainda mais atraentes para aplicações de biointerface. "

O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e pelo Escritório de Pesquisa do Exército. Os pesquisadores da UCI desenvolveram os dispositivos para medir as habilidades de condução elétrica dos nanomateriais, enquanto os pesquisadores do ASRC desenvolveram os nanomateriais. O próximo passo da equipe colaborativa é fazer a interface dos novos nanomateriais com neurônios reais para ver como os materiais biológicos e artificiais interagem.

"Queremos ver se podemos usar os nanomateriais dinâmicos eletrocondutores para interagir efetivamente com os neurônios e resultar em seu disparo elétrico sob demanda, "disse Rein Ulijn, diretor da Iniciativa de Nanociência do ASRC. "Ainda estamos no início desse aspecto do trabalho, mas o que temos até agora é uma descoberta emocionante que demonstra a possibilidade de criar materiais feitos pelo homem que imitam um complexo, atividade dinâmica de sistemas biológicos. Esses novos nanomateriais têm a capacidade de responder a sinais químicos biologicamente relevantes e fornecer uma interface eletrônica. A longo prazo, isso pode abrir um novo caminho para o desenvolvimento de tratamentos que, até agora, foram apenas teóricos. "