Uma equipe liderada pela Universidade de Bristol de cientistas internacionais com interesse em tecnologias de proto-vida, publicou hoje pesquisas que abrem caminho para a construção de novos dispositivos semi-autônomos com aplicações potenciais em robótica suave miniaturizada, detecção em microescala e bioengenharia.

Micro-atuadores são dispositivos que podem converter sinais e energia em movimento acionado mecanicamente em estruturas de pequena escala e são importantes em uma ampla gama de tecnologias avançadas de microescala.

Normalmente, micro-atuadores dependem de mudanças externas nas propriedades em massa, como pH e temperatura, para disparar transformações mecânicas repetíveis. Agora, em um novo estudo publicado hoje em Química da Natureza , Professor Stephen Mann da Escola de Química da Universidade de Bristol, e o Centro de Biologia Mínima Max Planck Bristol, juntamente com os colegas Drs Ning Gao, Mei Li, Liangfei Tian, Avinash Patil e Pavan Kumar, do Bristol Centre for Protolife Research, demonstram uma nova abordagem que usa mudanças internas como gatilho para movimento baseado em sinal.

Em uma série de experimentos, os pesquisadores incorporaram com sucesso dezenas de milhares de entidades semelhantes a células artificiais (protocélulas) dentro de filamentos helicoidais de um hidrogel de polissacarídeo para produzir minúsculas molas autônomas que são quimicamente alimentadas por dentro.

A equipe primeiro carregou as protocélulas com urease - uma enzima que gera íons carbonato quando fornecida com ureia - e então capturou as células artificiais em um jato de hidrogel de alginato de cálcio usando um dispositivo microfluídico feito em casa.

Eles descobriram que os filamentos helicoidais começam a se desenrolar na água quando a urease é ligada, e que a velocidade da extensão longitudinal aumentou à medida que mais íons carbonato escaparam das protocélulas para o hidrogel circundante.

O acoplamento da atividade química endógena ao movimento mecânico foi associado à quebra de reticulações no hidrogel devido à remoção dos íons de cálcio pela formação local de partículas de carbonato de cálcio, o que levou à liberação lenta de energia elástica nas microestruturas semelhantes a molas.

Por outro lado, recuperar os íons de cálcio dissolvendo as partículas de carbonato de cálcio usando uma segunda população de protocélulas contendo glicose oxidase produtoras de ácido colocadas fora dos filamentos reverteu o desenrolamento e restabeleceu o passo helicoidal original das molas independentes.

Com base nessas observações, os pesquisadores usaram os filamentos de protocélula helicoidal como um eixo de transmissão para realizar trabalho mecânico acionado por protocélula. Por esta, eles anexaram uma única protocélula "gigante" em cada extremidade do hidrogel enrolado e exploraram os minúsculos halteres como micro-atuadores autônomos (veja a imagem). A atividade da urease nas duas protocélulas gigantes foi suficiente para causar uma extensão lateral do haltere. O movimento poderia ser reduzido se uma das protocélulas gigantes anexas contivesse glicose oxidase, que trabalhou para restaurar o cálcio perdido no conector de hidrogel. Desta maneira, uma gama de diferentes modos de transdução químico-mecânica pode ser programada nos micro-atuadores por processamento on-board de sinais químicos.

Professor Stephen Mann, co-diretor do Centro de Biologia Mínima Max Planck Bristol (MPBC) em Bristol, disse:"Temos um interesse de longa data em tecnologias de proto-vida. Um dos principais desafios é como fazer a interface das comunidades de protocélulas com seu ambiente para produzir relações funcionais. O novo trabalho fornece um passo nessa direção, pois ilustra como processos químicos endógenos podem ser acoplados a seus ambiente energizado para produzir um micro-sistema quimiomecânico programável ".

Dr. Ning Gao, também no MPBC e na Escola de Química da Universidade de Bristol acrescentou:"Esperamos que nossa abordagem motive a fabricação de novos tipos de microestruturas adaptativas flexíveis que operam por meio de níveis aumentados de autonomia."