Un equipo de científicos internacionales liderado por la Universidad de Bristol con interés en tecnologías de protoliving, ha publicado hoy una investigación que allana el camino para la construcción de nuevos dispositivos semiautónomos con aplicaciones potenciales en robótica blanda miniaturizada, bioingeniería y detección a microescala.

Los microactuadores son dispositivos que pueden convertir señales y energía en movimiento impulsado mecánicamente en estructuras a pequeña escala y son importantes en una amplia gama de tecnologías avanzadas a microescala.

Normalmente, Los microactuadores se basan en cambios externos en las propiedades generales, como el pH y la temperatura, para desencadenar transformaciones mecánicas repetibles. Ahora, en un nuevo estudio publicado hoy en Química de la naturaleza , El profesor Stephen Mann de la Facultad de Química de la Universidad de Bristol, y el Centro Max Planck Bristol de Biología Mínima junto con sus colegas Drs Ning Gao, Mei Li, Liangfei Tian, Avinash Patil y Pavan Kumar en el Centro de Bristol para la Investigación de Protolife demuestran un nuevo enfoque que utiliza cambios internos como disparador del movimiento basado en señales.

En una serie de experimentos, Los investigadores integraron con éxito decenas de miles de entidades similares a células artificiales (protocélulas) dentro de filamentos helicoidales de un hidrogel de polisacárido para producir pequeños resortes independientes que funcionan químicamente desde adentro.

El equipo primero cargó las protocélulas con ureasa, una enzima que genera iones de carbonato cuando se les suministra urea, y luego capturó las células artificiales en un chorro giratorio de hidrogel de alginato de calcio utilizando un dispositivo de microfluidos de fabricación casera.

Descubrieron que los filamentos helicoidales comienzan a desenrollarse en el agua cuando se enciende la ureasa, y que la velocidad de la extensión longitudinal aumentaba a medida que escapaban más iones carbonato de las protoceldas al hidrogel circundante.

El acoplamiento de la actividad química endógena al movimiento mecánico se asoció con la ruptura de los enlaces cruzados en el hidrogel debido a la eliminación de los iones de calcio mediante la formación in situ de partículas de carbonato de calcio. lo que condujo a la liberación lenta de energía elástica en las microestructuras en forma de resorte.

En cambio, la recuperación de los iones de calcio disolviendo las partículas de carbonato de calcio utilizando una segunda población de protoceldas que contienen glucosa oxidasa productoras de ácido colocadas fuera de los filamentos invirtió el desenrollamiento y restableció el paso helicoidal original de los resortes independientes.

Con base en estas observaciones, Los investigadores utilizaron los filamentos de protocélulas helicoidales como eje de transmisión para realizar trabajos mecánicos impulsados ​​por protocélulas. Para esto, adjuntaron una única protocélula "gigante" en cada extremo del hidrogel enrollado y explotaron las diminutas mancuernas como microactuadores independientes (ver imagen). La actividad ureasa en las dos protocélulas gigantes fue suficiente para provocar una extensión lateral de la mancuerna. El movimiento podría reducirse si una de las protocélulas gigantes adjuntas contuviera glucosa oxidasa, que funcionó para restaurar el calcio perdido en el conector de hidrogel. De este modo, Se podría programar una gama de diferentes modos de transducción químico-mecánica en los microactuadores mediante el procesamiento a bordo de señales químicas.

Profesor Stephen Mann, codirector del Centro Max Planck Bristol de Biología Mínima (MPBC) en Bristol, dijo:"Tenemos un interés desde hace mucho tiempo en las tecnologías de protoliving. Un desafío clave es cómo interactuar las comunidades de protoceldas con su entorno para producir relaciones funcionales. El nuevo trabajo proporciona un paso en esta dirección, ya que ilustra cómo los procesos químicos endógenos se pueden acoplar a sus entornos energizados para producir un microsistema quimio-mecánico programable ".

Dr. Ning Gao, también en el MPBC y en la Escuela de Química de la Universidad de Bristol agregó:"Esperamos que nuestro enfoque motive la fabricación de nuevos tipos de microestructuras adaptativas blandas que operen a través de mayores niveles de autonomía".