La capacidad de procesar la información obtenida de su entorno inmediato ayuda a los organismos a realizar tareas difíciles. Incluso la forma de vida más simple (una sola célula) puede sentir varios estímulos químicos y físicos y procesar esta información a través de su lógica intracelular compleja intrínseca para realizar funciones celulares complicadas como la división celular, la motilidad celular y el transporte de carga.

En los últimos años, el objetivo de desarrollar sistemas artificiales similares a la vida ha llevado a la exploración de reacciones químicas complejas, que residen en un estado fuera de equilibrio. Sin embargo, sigue sin explorarse cómo aprovechar todo el potencial de tales sistemas, en cuanto a su capacidad para procesar información de múltiples estímulos externos y realizar funciones espaciotemporales programables. Los científicos del Centro de Autoensamblaje y Complejidad (CSC), el Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), ahora han ideado sistemas químicos fuera de equilibrio, que pueden detectar múltiples estímulos externos (por ejemplo, luz, sonido, oxígeno atmosférico) y procesar esta información para ejecutar funciones espaciotemporales programables similares a la vida.

Los investigadores denominaron a estos "sistemas lógicos químicos" (CLS), ya que la información proporcionada a estos sistemas desde múltiples entradas externas se procesa siguiendo la lógica booleana para llegar al resultado deseado. Los investigadores describen dos CLS en este estudio, uno de los cuales conduce a la formación de patrones químicos espaciotemporales programables y el otro da como resultado el movimiento espaciotemporal programable de una carga flotante. "Elegir los sistemas fuera de equilibrio apropiados es un aspecto importante en el desarrollo de CLS. Trabajar en este proyecto fue realmente divertido porque la mayoría de las veces pudimos predecir los resultados experimentales de acuerdo con el programa que establecimos", explica Seoyeon Choi. , estudiante de posgrado en POSTECH y primer autor de este estudio.

Los investigadores primero diseñaron CLS-1 basándose en la química redox del metil viológeno (MV ²⁺ ), que se sabe que se reduce a su forma catiónica radical (MV ^•+ ) por irradiación de luz visible, en presencia de un fotosensibilizador y un reductor de sacrificio. Al exponer la solución CLS-1 de color amarillo tomada en una placa de Petri con luz visible, sonido audible y oxígeno atmosférico, primero se volvió verde oscuro y luego se reorganizó gradualmente en un patrón espaciotemporal que consiste en anillos concéntricos verde oscuro y amarillo (un resultado deseado). La ausencia de cualquiera de las tres señales de entrada conduce a una salida no deseada, por ejemplo, un patrón químico aleatorio. Los resultados sugirieron claramente que CLS-1 exhibió una respuesta de puerta lógica AND hacia las tres entradas:luz, sonido y oxígeno. Los gradientes químicos dentro de los patrones espaciotemporales podrían ajustarse aún más utilizando una fotomáscara durante el proceso de fotoirradiación.

A continuación, el equipo exploró el CLS-2, que mostraba una disolución rápida y reversible de un conjunto de bases peptídicas en respuesta a la irradiación con luz azul. Esto estuvo acompañado por un cambio reversible en la tensión superficial de la solución, lo que resultó en un efecto Marangoni inducido, que puede utilizarse para impulsar una carga flotante sobre la superficie de una solución. Luego, los investigadores ejecutaron dicho movimiento de carga en presencia de un sonido audible y observaron que la topografía en forma de anillo concéntrico generada de la superficie de la solución actuaba como pistas moldeadas para el movimiento espaciotemporal controlado de una carga flotante (bola de espuma de poliestireno). El movimiento de la carga se podía programar de manera efectiva solo cuando la luz y el sonido audible se irradiaban simultáneamente, por lo que CLS-2 exhibió una respuesta de puerta lógica AND hacia los dos estímulos de entrada.

Los autores observaron además que al menos dos tipos diferentes de movimiento de carga podrían lograrse controlando los parámetros de la entrada de sonido audible. Una entrada de sonido de 38 Hz y 0,06 g (Audio-I) dio como resultado un movimiento orbital de la carga a lo largo de las pistas circulares. Por otro lado, con una entrada de sonido ligeramente ajustada (42 Hz y 0,08 g; Audio-II) se observó un movimiento radial de corta distancia de la carga. La aplicación de las dos señales de entrada se combinó aún más para ejecutar una secuencia predeterminada de movimiento orbital y radial corto de la carga, lo que resultó en un nivel aún más alto o funciones complicadas, como navegar una carga a través de un laberinto.

Según el Dr. Mukhopadhyay, coautor correspondiente en este trabajo que dirigió este estudio, "diseñar el laberinto fue un verdadero desafío para nosotros. Un laberinto convencional con barreras físicas reales habría interferido con la formación de ondas de Faraday. Para sortear este problema , pensamos en usar una fotomáscara en forma de laberinto y la proyectamos sobre la solución CLS-2. Esto nos ayudó a navegar la carga flotante solo a lo largo de un camino predeterminado complejo, donde estaba expuesto dualmente a la radiación de luz y ondas de sonido".

Los investigadores del CSC-IBS creen que la estrategia actual de explotar el sonido y la luz audibles en combinación para maniobrar una carga a través de un laberinto, evitando los métodos convencionales basados ​​en quimiotaxis, fototaxis, magnetotaxis, etc., agrega una nueva herramienta para que los investigadores desarrollar materiales que exhiban propiedades similares a las de la vida y en el campo de la química de sistemas en general. El Prof. Kimoon Kim, Director del Centro de Autoensamblaje y Complejidad, que supervisó la investigación general, opina:"El desarrollo de CLS fuera de equilibrio puede ser una de las piezas faltantes de un rompecabezas muy complejo que puede conectar el vivos y los dominios no vivos. El resultado actual es solo un pequeño paso en esta dirección, para lograr un nivel similar de complejidad de los CLS que operan dentro de una célula sigue siendo un objetivo distante". Se ríe y agrega:"En la actualidad, los productos químicos actúan simplemente como personajes provistos de un guión programado. Tal vez, como un director de cine, pueda ordenar:¡Luz... Sonido... y Acción!"

Los resultados de este estudio se publicaron el 13 de mayo en Chem . + Explora más

Regulación espacio-temporal de reacciones químicas usando solo sonido audible