A capacidade de processar informações obtidas de seu ambiente imediato ajuda os organismos a realizar tarefas difíceis. Mesmo a forma de vida mais simples (uma única célula) pode sentir vários estímulos químicos e físicos e processar essas informações através de sua lógica intracelular complexa intrínseca para realizar funções celulares complicadas, como divisão celular, motilidade celular e transporte de carga.
Nos últimos anos, o objetivo de desenvolver sistemas artificiais semelhantes à vida levou à exploração de reações químicas complexas, que residem em um estado fora de equilíbrio. No entanto, o aproveitamento do potencial completo de tais sistemas, no que diz respeito à sua capacidade de processar informações de múltiplos estímulos externos e realizar funções espaço-temporais programáveis, permanece inexplorado. Cientistas do Center for Self-assembly and Complexity (CSC), do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul), agora criaram sistemas químicos fora de equilíbrio, que podem detectar vários estímulos externos (por exemplo, luz, som, oxigênio atmosférico) e processar essas informações para executar funções espaço-temporais programáveis ​​semelhantes à vida.

Os pesquisadores apelidaram esses "sistemas de lógica química" (CLSs), uma vez que as informações fornecidas a esses sistemas de várias entradas externas são processadas seguindo a lógica booleana para chegar a um resultado desejado. Os pesquisadores descrevem dois CLSs neste estudo, um dos quais leva à formação de padrões químicos espaço-temporais programáveis ​​e o outro resulta no movimento espaço-temporal programável de uma carga flutuante. "Escolher os sistemas apropriados fora de equilíbrio é um aspecto importante no desenvolvimento de CLSs. Trabalhar neste projeto foi muito divertido porque na maioria das vezes conseguimos prever os resultados experimentais de acordo com o programa que estabelecemos", explica Seoyeon Choi , estudante de pós-graduação da POSTECH e primeira autora deste estudo.

Os pesquisadores primeiro projetaram o CLS-1 com base na química redox do metil viologênio (MV ²⁺ ), que é conhecido por ser reduzido à sua forma catiônica radical (MV ^•+ ) por irradiação de luz visível, na presença de um fotossensibilizador e um redutor sacrificial. Ao expor a solução de CLS-1 de cor amarela tomada em uma placa de Petri com luz visível, som audível e oxigênio atmosférico, ela primeiro ficou verde escura e depois gradualmente reorganizada em um padrão espaço-temporal consistindo de anéis concêntricos verde escuro e amarelo (uma saída desejada). A ausência de qualquer um dos três sinais de entrada leva a uma saída indesejada, por exemplo, um padrão químico aleatório. Os resultados sugeriram claramente que o CLS-1 exibiu uma resposta de porta lógica AND para as três entradas:luz, som e oxigênio. Os gradientes químicos dentro dos padrões espaço-temporais podem ser ainda mais ajustados utilizando uma fotomáscara durante o processo de fotoirradiação.

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A equipe explorou em seguida o CLS-2, que exibiu uma dissolução rápida e reversível de um conjunto de bases de peptídeos em resposta à irradiação de luz azul. Isso foi acompanhado por uma mudança reversível na tensão superficial da solução, resultando em um efeito Marangoni induzido, que pode ser utilizado para impulsionar uma carga flutuante sobre a superfície da solução. Os pesquisadores então executaram tal movimento de carga na presença de som audível e observaram que a topografia concêntrica em forma de anel gerada da superfície da solução atuou como trilhas modeladas para o movimento espaço-temporal controlado de uma carga flutuante (conta de isopor). O movimento da carga poderia ser efetivamente programado apenas quando a luz e o som audível fossem irradiados simultaneamente, o CLS-2, portanto, exibiu uma resposta de porta lógica AND para os dois estímulos de entrada.

Os autores observaram ainda que pelo menos dois tipos diferentes de movimentação de carga poderiam ser alcançados controlando os parâmetros da entrada de som audível. 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 . + Explorar mais

Spatiotemporal regulation of chemical reactions using only audible sound