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(Noticias de Nanowerk) La complejidad de la vida en la Tierra se derivó de la simplicidad: desde las primeras protocélulas hasta el crecimiento de un organismo, las células individuales se agregan en grupos simples y luego forman estructuras más complejas. Las primeras células carecían de maquinaria bioquímica complicada; Evolucionar en organismos multicelulares requirió mecanismos simples para generar señales químicas que hicieron que las células se movieran y formaran colonias.
La replicación de este comportamiento en sistemas sintéticos es necesaria para avanzar en áreas como la robótica blanda. Los ingenieros químicos de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh han demostrado esta hazaña en su último avance en biomimética.
La investigación fue publicada en la revista asunto («Comportamiento realista de cápsulas en movimiento químicamente oscilantes»). El autor principal es Oleg E. Shklyaev, becario postdoctoral con Anna Balazs, profesora distinguida de ingeniería química y petrolera y de la cátedra de ingeniería John A. Swanson.
“Usamos un modelo de computadora con cápsulas rojas, azules y verdes. Al agregar los reactivos apropiados, cada cápsula inicia una de tres reacciones interconectadas que convierten los reactivos en productos. Si el volumen de los reactivos difiere del de los productos (como suele ser el caso en las reacciones biocatalíticas), el fluido presenta gradientes de densidad que generan espontáneamente fuerzas de flotabilidad. Las fuerzas impulsan el flujo de la solución circundante e impulsan las cápsulas sumergidas.
Debido a este comportamiento dinámico, las cápsulas experimentan nuevos entornos químicos y vecinos. Si las cápsulas en movimiento están demasiado separadas, la «conexión» equivale a un intercambio de señales químicas constantes, lo que permite que las cápsulas «sepan» sobre la presencia de otras», explica Shklyaev. «Sin embargo, cuando el flujo acerca lo suficiente los tres tipos diferentes de cápsulas, su ‘comunicación’ química se vuelve más complicada, lo que hace que la ‘tríada’ experimente oscilaciones quimio-mecánicas espaciales y temporales.
El sistema simple, que originalmente implicaba un intercambio de señales químicas independiente del tiempo, se autoensambla en una colonia que exhibe oscilaciones quimio-mecánicas, similares a las oscilaciones del quimioatractor cAMP en las colonias de amebas o incluso al latido periódico de un corazón vivo. El sistema demuestra una autonomía real ya que el «combustible» para el movimiento de las cápsulas se genera a sí mismo y el movimiento espontáneo del líquido a su vez estimula la comunicación de las cápsulas y las vibraciones colectivas biomiméticas. Con reactivos para iniciar la catálisis, el resto de los procesos los realiza el propio sistema.
Las reacciones interconectadas específicas que actúan sobre las cápsulas modelo forman un bucle de retroalimentación negativa bioinspirado (el «represor») en el que cada cápsula suprime la producción química de la siguiente en el bucle. El modelo de represión se utilizó para simular con éxito y comprender mejor la comunicación (detección de quórum) en colonias bacterianas. En el estado «quiescente», cuando las cápsulas están lo suficientemente separadas, las cápsulas acopladas por el circuito de retroalimentación no oscilan, sino que producen una salida química constante y un movimiento de traslación a través del líquido. Eventualmente, las cápsulas en movimiento entran en contacto con nuevos vecinos y forman una colonia que exhibe una respuesta colectiva biomimética: una señal química oscilante acompañada por las vibraciones mecánicas de los constituyentes.
Balazs señala que, si bien su sistema de microcápsulas no involucra motivos, parece replicar funciones biológicas básicas debido a las reglas simples impuestas al sistema y la introducción de reactivos (nutrientes) en la solución. En otras palabras, las oscilaciones quimio-mecánicas aparentemente complejas pueden resultar de mecanismos simples inherentes a las soluciones químicas.
«Al desarrollar sistemas remotos y máquinas diminutas, desea que los sistemas sean lo más autónomos posible y funcionen sin programación ni hardware complejos», dijo. «Hemos demostrado que los procesos químicos simples junto con las fuerzas de flotación que surgen naturalmente en las soluciones químicas proporcionan las instrucciones para que las partículas formen sistemas y movimientos potencialmente complejos, al igual que en las primeras formas de vida».
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