Nanobots spelen ‘Follow the Leader’ door chemische paden te achtervolgen in microfluïdisch apparaat

Onderzoekers van Penn State demonstreren de eerste stappen in het ontwerp van kleine deeltjes die gespecialiseerde taken kunnen uitvoeren, zoals gerichte levering van geneesmiddelen of andere lading.

Een groep kleine deeltjes volgde “broodkruimels” achtergelaten door een andere groep deeltjes in nieuwe experimenten die de eerste stappen aantonen bij het creëren van intelligente communicatiesystemen met actieve deeltjes – soms nanobots genoemd – die gespecialiseerde taken uitvoeren. Het experiment was mogelijk dankzij een nieuw microfluïdisch hulpmiddel ontwikkeld door onderzoekers van Penn State waarmee ze de deeltjes veel langer konden observeren dan eerder mogelijk was.

De langere tijd liet het team toe om te kijken terwijl één groep deeltjes een chemische gradiënt volgde en tegelijkertijd een andere chemische gradiënt creëerde in zijn kielzog, gevolgd door de tweede groep deeltjes. Dit type systeem zou uiteindelijk kunnen worden ontwikkeld voor gerichte afgifte van geneesmiddelen of andere lading, waarbij een groep deeltjes een locatie identificeert en vervolgens signalen voor een tweede groep deeltjes die de lading leveren, legt de onderzoekers uit, legden de onderzoekers uit. Een paper die het onderzoek beschrijft, was gepubliceerd in Cell meldt fysieke wetenschap.

“We proberen autonome deeltjes te creëren die verschillende taken kunnen uitvoeren,” zei Ayusman Sen, Verne M. Willaman hoogleraar chemie aan het Eberly College of Science aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. “De inspiratie is sociale insecten zoals mieren waar je een arbeidsverdeling hebt. Sommige mieren zijn soldaten, andere zijn foragers, enz. Evenzo zal het ontwerp van deeltjespopulaties met meerdere functionaliteiten sterk worden vereenvoudigd door verschillende groepen communicerende deeltjes te hebben, die elk zijn eigen functionele reactie hebben.”

De onderzoekers bouwden deeltjes die directioneel bewegen op basis van de aanwezigheid van een chemische gradiënt – een proces genaamd “chemotaxis”. Dit gedrag, op weg naar hogere concentraties van een voedingsstof of weg van een toxine, wordt gezien van bacteriecellen tot hogere organismen en gespecialiseerde eiwitten die enzymen worden genoemd. U kunt bijvoorbeeld uw neus volgen naar een steeds sterker wordende geur die voortkomt uit een bakkerij.

“Veel enzymen zullen autonoom gaan naar hogere concentraties van het substraat dat ze katalyseren,” zei Yu-Ching Tseng, een afgestudeerde student in de chemie bij Penn State en lid van het onderzoeksteam. “We kunnen kleine deeltjes met enzymen coaten en deze blootstellen aan een chemische gradiënt van hun substraat om dit experimenteel te observeren, maar tot nu toe konden we ze slechts een zeer korte tijd, een paar seconden, waarnemen.”

Het nieuwe microfluïdische apparaat van het team bestaat uit kleine kanalen geëtst in een polymeerblok dat de manipulatie van extreem kleine hoeveelheden vloeistoffen mogelijk maakt. De onderzoekers kunnen vervolgens minuten per keer deeltjesbeweging in de kanalen observeren met behulp van een fluorescerende microscoop.

“We hebben samengewerkt met het nanofabricatielaboratorium in Penn State om een ​​microfluïdisch apparaat te ontwikkelen dat T-vormig is”, zegt Aditya Sapre, een afgestudeerde student in chemische engineering aan Penn State en lid van het onderzoeksteam. “De deeltjes stromen over de bovenkant van de T en komen een chemische gradiënt tegen die is vastgesteld vanaf de basis van de T.”

De onderzoekers kunnen vervolgens het deeltjesgedrag observeren in een kamer op de kruising van de bovenkant en basis, zei Sapre.

“Veel enzymcascades, waarbij één enzym een ​​product maakt dat wordt gebruikt door een tweede enzym, zijn in de natuur te vinden”, zegt Xiaotian Lu, een afgestudeerde student in chemische engineering bij Penn State en lid van het onderzoeksteam. “Bijvoorbeeld, deeltjes gecoat met het enzymzuurfosfatase zullen een gradiënt van het chemische glucose-6-fosfaat volgen en het omzetten in glucose. Deeltjes gecoat met de enzymglucoseoxidase, die op zijn beurt glucose als substraat gebruikt, zal vervolgens het spoor achtergelaten door de zure fosfatase-gecospliteerde deeltjes.”

Het ene deeltje volgt het andere, zoals een roofdier die zijn prooi achtervolgt, is een voorbeeld van niet-reciprocale interactie. Het is een duidelijke schending van de derde wet van Newton van gelijke en tegengestelde interacties en in het algemeen alleen waargenomen in levende materie, volgens de onderzoekers.

“De belangstelling voor het aansturen van beweging van actieve deeltjes door chemotaxis heeft de aandacht gekregen voor drugs- en vrachtafgifte aan specifieke locaties,” zei Sen. “Ons nieuwe microfluïdische apparaat heeft ons in staat gesteld om te laten zien dat we systemen kunnen ontwerpen waar de ene groep deeltjes een andere zal volgen.

“Uiteindelijk hopen we dat deze principes kunnen helpen, bijvoorbeeld tot vooruitgang waar een kankergeneesmiddel rechtstreeks aan een tumor kan worden geleverd, in tegenstelling tot huidige chemotherapie -medicijnen die het hele lichaam beïnvloeden.”