Forscher entdecken neuen Prozess, um Leben in nicht-lebenden Materialien nachzuahmen

Ein Team von Forschern an der Technischen Universität Delft hat einen neuen Prozess entdeckt, der dazu beitragen könnte, Leben in nicht-lebenden Materialien wie Robotern nachzuahmen. Der neue Prozess basiert auf Treibstoff, um nicht-lebende Materialien in ähnlicher Weise zu kontrollieren wie lebende Zellen.

Das Team sagt, dass der Reaktionszyklus auf eine breite Palette von Materialien angewendet werden kann. Seine Rate kann auch kontrolliert werden, was viele Möglichkeiten in diesem aufstrebenden Bereich eröffnet. Die neue Entwicklung könnte auch eine wichtige Rolle bei der zukünftigen Entwicklung von Soft-Robotern spielen, bei denen weiche Maschinen ihre Umgebung wahrnehmen und entsprechend reagieren.

Die Ergebnisse des Teams wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Nachahmung chemischer Reaktionen in lebenden Zellen

Der Chemiker Rienk Eelkema und sein Team arbeiten an der Nachahmung chemischer Reaktionen in lebenden Zellen, die den Treibstoff liefern, der benötigt wird, um die Zelle zu kontrollieren. Diese Reaktionen treiben nicht-lebende Materialien auf ähnliche Weise an, sind aber begrenzt.

“Bisher gibt es nur etwa fünf Arten von Reaktionen, die von Forschern weit verbreitet verwendet werden”, sagt Eelkema. “Diese Reaktionen haben zwei große Nachteile: ihre Rate ist schwer zu kontrollieren und sie funktionieren nur auf einer bestimmten Menge von Molekülen.”

Zusammen mit Benjamin Klemm, dem Hauptautor der Studie, entdeckte das Paar eine neue Art von Reaktion, deren Rate effektiv kontrolliert werden kann. Diese Reaktion funktioniert auf einer breiten Palette von Materialien.

“Das Wesentliche des Reaktionszyklus ist, dass er zwischen einer ungeladenen und einer geladenen Partikel umschalten kann, indem ein chemischer Treibstoff hinzugefügt wird”, erklärt Eelkema. “Dies ermöglicht es uns, Materialien zu ändern und damit die Strukturen dieser Materialien zu modifizieren, da gleichartige Ladungen sich abstoßen und unterschiedliche Ladungen sich anziehen. Die Art und Menge des Treibstoffs bestimmt die Reaktionsrate und damit, wie lange eine Ladung und damit eine bestimmte Struktur existiert.”

Eines der Dinge, die das Team getan hat, war, seinen Reaktionszyklus zu verwenden, um ein Hydrogel zu laden, was dazu führte, dass die Ladungen sich abstoßen und das Gel quoll.

Rolle bei der Entwicklung von Soft-Robotern

Die Forscher sagen, dass der Zyklus chemischer Reaktionen eine Rolle bei der Entwicklung von Soft-Robotern spielen könnte.

“Soft-Roboter existieren bereits, zum Beispiel Mikropartikel, die extern durch magnetische oder elektrische Felder gesteuert werden. Aber letztendlich würde man einen Roboter haben wollen, der sich selbst steuern kann: der sieht, wo er ist und was passiert, und reagiert entsprechend”, sagt Eelkema. “Man kann unseren Zyklus in eine Partikel im Voraus programmieren, dann allein lassen und er führt seine Funktion unabhängig aus, sobald er ein Signal erhält, dies zu tun.”

Eelkema wird nun versuchen, Signalverarbeitung in den Prozess zu integrieren, was ihn mit der Umgebung verbinden wird.

“Zum Beispiel könnte eine Polymerpartikel einige Komponenten eines solchen Zyklus enthalten”, sagt er. “Wenn sie den letzten Teil der Reaktion trifft, ist der Zyklus abgeschlossen und dient als Signal, um zu zerfallen oder aufzuschwellen, zum Beispiel.”

Die Zellen in Menschen und anderen Organismen verlassen sich auf Energie, um zu funktionieren.

“Das ist auch der Grund, warum wir Menschen essen müssen”, erklärt Eelkema. “Diese Verbindung von Energie mit Funktion findet durch chemische Reaktionen statt und ist es, was lebende Wesen definiert. Es ermöglicht Zellen, zu kontrollieren, wann und wo Strukturen gebildet oder Prozesse stattfinden, lokal und für eine begrenzte Zeit.”

Andererseits kann nicht-lebendes Material ohne Energieversorgung funktionieren und existieren für immer. Es war erst vor zehn Jahren, dass Prozesse existierten, die einen chemischen Treibstoff verwenden konnten, um Wechselwirkungen in nicht-lebenden Materialien zu steuern.

“Wir haben das hier in Delft eingeführt, zusammen mit einigen anderen Orten, und seitdem ist das Feld explodiert”, schlussfolgert Eelkema.