模仿可编程和自适应合成材料的性质

生物系统真正代表了复杂的宏观现象,由微观化学反应网络严格控制。随着科学家们寻求创造一种逼真的适应性和反应性材料,研究已经加强到基本生物过程的合成模拟。

一种这样的生物学过程是细胞骨架蛋白的受控生长。除了作为维持细胞形状的纳米骨架之外,这些蛋白质的组装负责在细胞内分配营养物。因此,它们几乎控制着细胞内的每个重要过程,从分裂到力分布。可以安全地推测这些蛋白质的组装控制途径是细胞适应性和反应性行为的关键因素。该过程的关键部分是以ATP为燃料的代谢系统,该系统以与时间相关的方式对这些组件的生长和衰减速率进行编程。由于尺寸直接与系统的功能效率相关,因此也对这些组件的尺寸保持严密控制。

在最近发表在Nature Communications上的一项研究中,来自Jawaharlal Nehru高级科学与研究中心(JNCASR)和干细胞生物学与再生医学研究所(inStem)的科学家创建了一种具有结构和时间编程的细胞骨架网络的简约合成模拟。这项工作的重点是双组分单体分子系统的反应驱动控制生长。

“这种合成单体体系设计优雅,以便在添加烷基胺(燃料)后,将非活性(非组装)单体体系转化为活性体系(触发组装),从而产生主要反应,”博士说。 Subi George,JNCASR的副教授。

他们表明,该反应可用于通过控制燃料的可用性来精确控制所得组件的一维生长(纳米纤维)。这些纳米纤维结构的生长是由非常弱的分子间相互作用(超分子聚合)驱动的,例如类似于膜中脂质双层的疏水反应和类似于DNA中核碱基堆积的芳香相互作用,因此具有高度动态性并具有自修复功能,如许多生物组件。

“虽然生物系统能够以极高的精度优雅地调节自组装,但在化学两亲物中赋予瞬时和活性聚合特性一直是一项艰巨的任务。原位成型两亲物的设计使我们能够随意研究动态组装结构, “Praveen Kumar Vemula博士说。

通过详细的光谱和显微分析,他们确定这种生长在自然界中“生存”,导致组件具有非常窄的尺寸分布(单分散)。通过将生长与独特选择的化学方案相结合,进一步开发该系统,从而建立对生长和分解动力学的控制。结果,实现了纤维组件的时间编程瞬态网络。在这两种情况下,关键时间特征的操纵都是从几秒到几千秒的范围。因此,该研究代表了开发适应性,逼真的超分子材料的关键步骤。

“我们首次证明了超分子聚合的每个时间特征都可以进行化学控制,并进一步与其他类似于生物系统的参与反应相结合,”该论文的第一作者Ankit Jain说。

“使用酶和pH等刺激来控制自组装纳米结构非常吸引人,”该论文的作者Ashish Dhayani说。

“这项工作是设计在平衡条件下运行的生物模拟有源系统的重大进步,其时空编程与迄今为止报告的大多数合成被动系统相比,它们只在空间复杂性的热力学平衡下工作,”该论文的共同作者Shikha Dhiman说。

接下来的挑战是建立可以像生物一样思考,学习和适应的合成逼真系统。这项研究就是这样一个初步步骤,但仍然需要进行大量调查才能完全模仿自然过程。该团队希望应用这一原理,并在生物系统中使用这些动态自组装纳米架构。