Inspirado nas interações sociais de formigas e fungos viscosos, Os engenheiros da Universidade de Pittsburgh desenvolveram células artificiais capazes de se auto-organizar em grupos independentes que podem se comunicar e cooperar. Recentemente relatado no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), a pesquisa é um passo significativo para a produção de células sintéticas que se comportam como organismos naturais e podem ter um desempenho importante, funções em microescala em campos que vão da indústria química à medicina.
A equipe se apresenta no PNAS modelos computacionais de papel que fornecem um projeto para o desenvolvimento de células artificiais - ou microcápsulas - que podem se comunicar, mova-se independentemente, e transporte "carga", como produtos químicos necessários para as reações. Mais importante, os dispositivos "inspirados biologicamente" funcionam inteiramente por meio de processos físicos e químicos simples, comportando-se como organismos naturais complexos, mas sem a complicada bioquímica interna, disse a autora correspondente Anna Balazs, Distinto Professor de Engenharia Química na Escola de Engenharia Swanson de Pitt.
As microcápsulas do grupo Pitt interagem através da secreção de nanopartículas de uma forma semelhante à usada pelo sinal de células biológicas para se comunicar e se reunir em grupos. E com um aceno para as formigas, as células deixam rastros químicos enquanto viajam, levando outras microcápsulas a seguirem. Balazs trabalhou com o autor principal German Kolmakov e Victor Yashin, ambos pesquisadores de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Química e de Petróleo de Pitt, quem produziu os modelos de células; e com o professor Pitt de engenharia elétrica e da computação Steven Levitan, que desenvolveu a habilidade de rastreio semelhante a uma formiga.
Os pesquisadores escrevem que a comunicação depende da interação entre microcápsulas trocando dois tipos diferentes de nanopartículas. A célula "sinalizadora" secreta nanopartículas conhecidas como agonistas que levam a segunda microcápsula "alvo" a emitir nanopartículas conhecidas como antagonistas.
O vídeo dessa interação está disponível no site de Pitt e apresentado abaixo, um dos vários vídeos das células artificiais que Pitt forneceu. À medida que a célula de sinalização (direita) emite as nanopartículas agonistas (mostradas em azul), a célula-alvo (esquerda) responde com antagonistas (mostrados em vermelho) que impedem a secreção da primeira célula. Uma vez que a célula de sinalização fica dormente, a célula-alvo também para de liberar antagonistas - o que faz com que a célula de sinalização reinicie. As microcápsulas ficam presas em um ciclo que equivale a uma conversa intercelular, um diálogo que os humanos poderiam controlar ajustando a permeabilidade das cápsulas e a quantidade de nanopartículas que elas contêm.
A locomoção ocorre à medida que as nanopartículas liberadas alteram a superfície sob as microcápsulas. As paredes de polímero da célula começam a empurrar o fluido que envolve a cápsula e o fluido empurra de volta com ainda mais força, mover a cápsula. Ao mesmo tempo, as nanopartículas da célula de sinalização a puxam em direção às células-alvo. Grupos de cápsulas começam a se formar à medida que a célula de sinalização avança, captando células-alvo. Em uso prático, Balazs disse, a célula de sinalização pode transportar células alvo carregadas com carga; a próxima etapa da equipe é controlar a ordem em que as células-alvo são coletadas e descartadas.
Os pesquisadores ajustaram a saída de partículas da célula de sinalização para criar várias formações celulares, alguns dos quais são mostrados nos vídeos disponíveis no site da Pitt e com este lançamento. O primeiro clipe - intitulado "Ant Trail Formation" - mostra as "formigas à direita", "em que as secreções de partículas de um grupo de microcápsulas são retardadas até que outro grupo passe e o ative. O cluster recém-despertado segue então o resíduo químico deixado pelo grupo líder.
Um segundo filme, intitulado "Formação do Dragão, "descreve uma formação de" dragão "que compreende duas células de sinalização cooperantes (mostradas em vermelho) liderando um grande grupo de alvos. Semelhante a estas são" cobras "feitas de cápsulas de sinalização concorrentes puxando as respectivas linhas de células-alvo.
