Het toepassen van een magnetisch veld op staafachtige virussen veroorzaakt ze om schijven van instelbare vorm en grootte te vormen

Riken-onderzoekers proberen zelfassemblageprocessen na te bootsen die natuurlijk optreden, hebben aangetoond dat de zelfassemblage van staafvormige virussen kan worden geregeld door een magnetisch veld toe te passen. Dit kan helpen bij de ontwikkeling van kunstmatige zelfassemblageprocessen die meer controleerbaar zijn dan bestaande. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Bij het bouwen van een huis moet een metselaar elke baksteen meenemen en deze op zijn plaats cementeren. Maar in veel biologische processen regelen de “bakstenen” zich spontaan in structuren. Vanwege hun hoge efficiëntie en precisie worden dergelijke zelfassemblageprocessen in toenemende mate gebruikt in gebieden zoals nanotechnologie en materiaalwetenschap.

In tegenstelling tot natuurlijke zelfassemblageprocessen, die eindigen zodra de structuur een bepaalde grootte bereikt, hebben kunstmatige mensen echter de neiging voor onbepaalde tijd door te gaan. De eiwitschaal van een virus zal bijvoorbeeld stoppen met groeien wanneer het een bol of buis van een bepaalde diameter wordt.

“Omdat we de structuurgrootte in kunstmatige zelfassemblageprocessen niet kunnen beheersen, is de uiteindelijke grootte en vormverdeling van dergelijke structuren zeer breed”, legt Yasuhiro Ishida van het Riken Center for Emergent Matter Science uit.

Ishida wil graag ontdekken hoe de natuur de grootte in zelfassemblageprocessen regelt en probeert het vervolgens in het lab te repliceren.

“Onze vraag is: hoe kan de grootte van de natuurbeheersingstructuur in zulke zeer oncontroleerbare systemen?” zegt Ishida. “Er moet een mechanisme zijn dat automatisch de grootte en vorm regelt, zelfs onder evenwichtsomstandigheden.”

Nu heeft het team van Ishida staafvormige virussen gebruikt om een ​​zelfassemblagesysteem aan te tonen dat schijven produceert waarvan de diameters kunnen worden geregeld door een magnetisch veld. De magnetisch geïnduceerde draaien maakt gebruik van een eigenschap die bekend staat als chiraliteit die veel natuurlijke systemen gebruiken om de structuurgrootte te beperken.

Omdat ze chiraal zijn, geven de virussen de voorkeur aan samen met een kleine draai tussen buren. Wanneer er geen magnetisch veld wordt toegepast, verzamelt de schijf een draai tijdens zelfassembling, waardoor deze stopt met groeien zodra deze een bepaalde diameter bereikt.

Het aanbrengen van een magnetisch veld op de virussen tijdens zelfassemblage vermindert de hoeveelheid draaien tussen aangrenzende virussen, waardoor de schijf groter kan worden. Het variëren van de magnetische veldintensiteit verandert de schijfgrootte dienovereenkomstig.

“Dit proces overtreft natuurlijke systemen omdat het het eindpunt van zijn groei adaptief kan veranderen”, zegt Ishida.

Toen de onderzoekers het magnetische veld uitzetten nadat de schijven waren gevormd, begonnen de schijven langzaam te ontrafelen, waardoor kurkentrekker-achtige structuren produceerden. “Ik was zo verrast toen mijn studenten me de video lieten zien van dit ontrafelen”, herinnert Ishida zich. “Het was heel mooi om te zien.”

Uiteindelijk wil het team van Ishida verder gaan dan de natuur en innovatieve zelfassemblagesystemen ontwikkelen. “Ons uiteindelijke doel is om zelfassemblage te gebruiken om dingen zoals kleinschalige operaties in het lichaam uit te voeren, bijvoorbeeld”, zegt Ishida.