Сложность жизни на Земле производилась от простоты: от первых протоклеток до роста любого организма отдельные клетки объединяются в основные группы, а затем образуют более сложные структуры. В самых ранних клетках отсутствовал сложный биохимический механизм; чтобы эволюционировать в многоклеточные организмы, были необходимы простые механизмы для производства химических сигналов, которые побуждали клетки двигаться и образовывать колонии.

Воспроизведение этого поведения в синтетических системах необходимо для развития таких областей, как мягкая робототехника. Исследователи химической инженерии из Инженерной школы Суонсона Университета Питтсбурга установили этот подвиг в своих последних достижениях в области биомимикрии.

Исследование «Реалистичное поведение химически колеблющихся мобильных капсул» было опубликовано в журнале Elsevier Matter (doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.063). Ведущий автор — Олег Е. Шкляев, постдокторский сотрудник Анны Балаш, заслуженного профессора химической и нефтяной инженерии и кафедры инженерии Джона А. Суонсона.

«Мы использовали компьютерную модель, включающую красную, синюю и зеленую капсулы. При добавлении соответствующих реагентов каждая капсула запускает одну из трех взаимосвязанных реакций, которые превращают реагенты в продукты. Если объем реагентов отличается от продуктов (как это часто бывает в биокаталитических реакциях), жидкость будет охватывать градиенты плотности, которые спонтанно создают силы плавучести. Силы управляют потоком окружающего раствора и толкают погруженные капсулы.

Из-за такого динамического поведения капсулы всегда сталкиваются с новыми химическими средами и соседями. Если движущиеся капсулы лежат слишком далеко друг от друга, то «работа в сети» сводится к обмену постоянными химическими сигналами, позволяющими капсулам «знать» о присутствии других, — поясняет Шкляев. типы капсул достаточно близко друг к другу, их химические «коммуникации» становятся более сложными, приводя к тому, что «триада» подвергается пространственным и временным химико-механическим колебаниям.

А именно, простая система, изначально отличавшаяся независимым от времени обменом химическими сигналами, самоорганизуется в колонию, демонстрирующую химико-механические колебания, подобные колебаниям хемоаттрактанта цАМФ в колониях амеб или даже периодическим биениям живого сердца. . Система демонстрирует автономию, подобную живой, потому что «топливо» для движения капсул генерируется самостоятельно, и, в свою очередь, спонтанное движение жидкости вызывает связь капсул и биомиметические коллективные колебания. При наличии реагентов, инициирующих катализ, остальные процессы выполняются самой системой.

Специфические взаимосвязанные реакции, действующие на модельные капсулы, образуют биоинспирированную петлю отрицательной обратной связи («репрессилятор»), где каждая капсула подавляет химическое производство следующей в петле. Модель репрессилятора использовалась для успешного моделирования и дальнейшего понимания коммуникации (чувства кворума) в колониях бактерий. В «спящем» состоянии, когда капсулы находятся достаточно далеко друг от друга, капсулы, связанные петлей обратной связи, не проявляют колебаний, а производят постоянный химический выброс и поступательное движение через жидкость. В конце концов движущиеся капсулы вступают в контакт с новыми соседями и образуют колонию, которая проявляет биомиметический коллективный ответ: колебательный химический сигнал, сопровождаемый механическими колебаниями составных частей.

Балаш отмечает, что, хотя их система микрокапсул не включает в себя никаких мотивов, она, по-видимому, воспроизводит основные биологические функции благодаря простым правилам, наложенным на систему, и введению в раствор реагентов (питательных веществ). Другими словами, кажущиеся сложными химико-механические колебания могут быть результатом простых механизмов, присущих химическим растворам.

«При разработке удаленных систем и крошечных машин вы хотите, чтобы системы были как можно более автономными и работали без необходимости сложного программирования и аппаратного обеспечения», — сказала она. «Мы показали, что простые химические процессы в сочетании с силами плавучести, которые естественным образом возникают в химических растворах, дают указания частицам формировать сложные системы и движения, потенциально, как и в случае с самыми ранними формами жизни».