Нанороботы играют в «следуй за лидером», преследуя химические следы в микрофлюидном устройстве
Исследователи из Университета штата Пенсильвания продемонстрировали первые шаги в разработке крошечных частиц, способных выполнять специализированные задачи, такие как целевая доставка лекарств.
Группа крошечных частиц следовала по «хлебным крошкам», оставленным другой группой частиц, в эксперименте, демонстрирующем первые шаги к созданию интеллектуальных коммуницирующих систем из активных частиц — иногда называемых нанороботами. Эксперимент стал возможен благодаря новому микрофлюидному инструменту, который позволил наблюдать за частицами гораздо дольше, чем раньше.
Увеличенное время наблюдения позволило команде увидеть, как одна группа частиц следует по химическому градиенту, создавая при этом в своем следу другой химический градиент, за которым последовала вторая группа частиц. Такая система в будущем может быть разработана для целевой доставки лекарств, где одна группа частиц идентифицирует цель, а затем сигнализирует второй группе для доставки груза. Статья опубликована в Cell Reports Physical Science.
«Мы пытаемся создать автономные частицы, которые могут выполнять разные задачи. Вдохновение — социальные насекомые, такие как муравьи, где есть разделение труда. Дизайн популяций частиц с несколькими функциями будет значительно упрощен, если иметь разные группы коммуницирующих частиц, каждая со своим функциональным ответом», — объяснил Аюсман Сен, руководитель исследования.
Исследователи создали частицы, которые движутся направленно в присутствии химического градиента — процесс, называемый «хемотаксис». Это поведение наблюдается от бактериальных клеток до высших организмов и ферментов.
«Многие ферменты автономно движутся к более высоким концентрациям своего субстрата. Мы можем покрывать крошечные частицы ферментами и наблюдать это, но до сих пор мы могли наблюдать их лишь несколько секунд», — сказал Ю-Чин Цзэн.
Новое микрофлюидное устройство команды состоит из крошечных каналов, вытравленных в полимерном блоке, что позволяет манипулировать крайне малыми объемами жидкостей. Исследователи могут наблюдать за движением частиц в каналах в течение нескольких минут с помощью флуоресцентного микроскопа.
«Мы разработали микрофлюидное устройство Т-образной формы. Частицы текут по верхней части Т и сталкиваются с химическим градиентом, установленным от основания Т», — пояснил Адитья Сапре.
«В природе встречаются многие ферментные каскады. Например, частицы, покрытые ферментом кислой фосфатазой, будут следовать по градиенту химического вещества глюкозо-6-фосфата и превращать его в глюкозу. Частицы, покрытые ферментом глюкозооксидазой, который использует глюкозу как субстрат, затем будут следовать по следу, оставленному первыми частицами», — добавил Сяотянь Лу.
Одна частица, преследующая другую, как хищник свою добычу, является примером невзаимного взаимодействия. Это кажущееся нарушение третьего закона Ньютона и обычно наблюдается только в живой материи.
«Интерес к направлению движения активных частиц с помощью хемотаксиса привлекает внимание для доставки лекарств и грузов в конкретные места. Наше новое устройство позволило показать, что мы можем проектировать системы, где одна группа частиц будет следовать за другой. В конечном итоге мы надеемся, что эти принципы помогут, например, в разработке методов доставки противоракового препарата непосредственно в опухоль, в отличие от современных химиотерапевтических препаратов, воздействующих на весь организм», — заключил Сен.