Onderzoekers ontdekken nieuw proces voor het nabootsen van leven in niet-levende materialen

Een team van onderzoekers aan de Technische Universiteit Delft heeft een nieuw proces ontdekt dat kan helpen om leven na te bootsen in niet-levende materialen, zoals robots. Het nieuwe proces is afhankelijk van brandstof om niet-levende materialen op een soortgelijke manier te controleren als levende cellen.

Het team zegt dat de reactiecycllus op een breed scala aan materialen kan worden toegepast. De snelheid ervan kan ook worden gecontroleerd, waardoor veel mogelijkheden in dit opkomende veld ontstaan. De nieuwe ontwikkeling kan ook een belangrijke rol spelen in de toekomstige soft-robotica, waarbij zachte machines hun omgeving kunnen waarnemen en dienovereenkomstig reageren.

De bevindingen van het team werden gepubliceerd in Nature Communications.

Nabootsen van chemische reacties in levende cellen

Scheikundige Rienk Eelkema en zijn team werken aan het nabootsen van de chemische reacties in levende cellen, die de brandstof leveren die nodig is om de cel te controleren. Deze reacties drijven niet-levende materialen op dezelfde manier, maar zijn beperkt.

“Tot nu toe zijn er slechts ongeveer vijf soorten reacties die algemeen worden gebruikt door onderzoekers”, zegt Eelkema. “Die reacties hebben twee grote nadelen: hun snelheid is moeilijk te controleren en ze werken alleen op een specifieke set moleculen.”

Samen met Benjamin Klemm, de hoofdauteur van de studie, ontdekte het paar een nieuwe soort reactie waarvan de snelheid effectief kan worden gecontroleerd. Deze reactie werkt op een breed scala aan materialen.

“De essentie van de reactiecycllus is dat deze kan schakelen tussen een ongeladen en een geladen deeltje door een chemische brandstof toe te voegen”, vervolgt Eelkema. “Dit stelt ons in staat om materialen te veranderen en dus de structuren van die materialen te modificeren, omdat gelijke ladingen elkaar afstoten en verschillende ladingen elkaar aantrekken. Het type en de hoeveelheid brandstof bepaalt de reactiesnelheid en dus hoe lang een lading en dus een bepaalde structuur bestaat.”

Een van de dingen die het team deed, was het gebruik van hun reactiecycllus om een hydrogel te laden, wat resulteerde in het afstoten van de ladingen en het opzwellen van de gel.

Rol bij de bouw van zachte robots

De onderzoekers zeggen dat de cyclus van chemische reacties een rol kan spelen bij de bouw van zachte robots.

“Zachte robots bestaan al, bijvoorbeeld micropartikels die extern worden gecontroleerd via magnetische of elektrische velden. Maar uiteindelijk zou je een robot willen hebben die zichzelf kan controleren: kan zien waar hij is en wat er gebeurt en dan dienovereenkomstig reageren”, zegt Eelkema. “Je kunt onze cyclus programmeren in een deeltje van tevoren, dan laat je het alleen en het voert zijn functie onafhankelijk uit zodra het een signaal krijgt om dat te doen.”

Eelkema zal nu signalenverwerking toevoegen aan het proces, waardoor het wordt gekoppeld aan de omgeving.

“Bijvoorbeeld, een polymeren deeltje kan enkele componenten van zo’n cyclus bevatten”, zegt hij. “Wanneer het het laatste deel van de reactie tegenkomt, is de cyclus voltooid en dient het als signaal om te desintegreren of op te zwellen, bijvoorbeeld.”

De cellen in mensen en andere organismen zijn afhankelijk van energie om te functioneren.

“Dat is ook de reden waarom wij mensen moeten eten”, legt Eelkema uit. “Die koppeling van energie aan functie vindt plaats via chemische reacties en dat is wat levende wezens definieert. Het stelt cellen in staat om te controleren wanneer en waar structuren worden gevormd of processen plaatsvinden, lokaal en voor een beperkte tijd.”

Aan de andere kant kan niet-levend materiaal functioneren zonder energiebron en bestaan voor altijd. Het was pas tien jaar geleden dat processen bestonden die een chemische brandstof konden gebruiken om interacties in niet-levende materialen aan te drijven.

“We hebben dat hier in Delft geïntroduceerd, samen met een paar andere plaatsen, en sindsdien is het veld geëxplodeerd”, concludeert Eelkema.