Исследователи из Пенн Стейт демонстрируют первые шаги в разработке крошечных частиц, способных выполнять специализированные задачи, такие как целенаправленная доставка лекарств или других грузов.
Группа крошечных частиц следовала за «хлебными крошками», оставленными другой группой частиц, в ходе новых экспериментов, демонстрирующих первые шаги в создании интеллектуальных коммуникационных систем с участием активных частиц — иногда называемых наноботами — которые выполняют специализированные задачи. Эксперимент стал возможен благодаря новому микрофлюидному инструменту, разработанному исследователями из Пенн Стейт, который позволил им наблюдать за частицами гораздо дольше, чем это было возможно ранее.
Расширенное время наблюдения позволило команде увидеть, как одна группа частиц следует за химическим градиентом, создавая при этом другой химический градиент, по которому следует вторая группа частиц. Такую систему в будущем можно будет разработать для целенаправленной доставки лекарств или других грузов, где одна группа частиц определяет местоположение, а затем подаёт сигнал второй группе частиц, которая осуществляет доставку, пояснили исследователи. Статья с описанием исследования была опубликована в журнале Cell Reports Physical Science.
«Мы пытаемся создать автономные частицы, которые могут выполнять разные задачи», — сказал Аюсман Сен, профессор химии имени Верна М. Уиллемана в Колледже наук Эберли в Пенн Стейт и руководитель исследовательской группы. «Вдохновением служат социальные насекомые, такие как муравьи, где существует разделение труда. Одни муравьи — солдаты, другие — фуражиры и так далее. Аналогичным образом, проектирование популяций частиц с множеством функций будет значительно упрощено за счёт наличия разных групп взаимодействующих частиц, каждая из которых имеет свою функциональную реакцию».
Исследователи создали частицы, которые движутся в определённом направлении в зависимости от наличия химического градиента — процесс, называемый хемотаксисом. Это поведение, при котором движение происходит в сторону более высокой концентрации питательного вещества или вдали от токсина, наблюдается у бактериальных клеток и у более сложных организмов, а также у специализированных белков, называемых ферментами. Например, вы можете следовать за усиливающимся запахом из пекарни.
«Многие ферменты будут автономно перемещаться к более высоким концентрациям субстрата, который они катализируют», — сказала Ю-Чин Тсенг, аспирантка химического факультета в Пенн Стейт и член исследовательской группы. «Мы можем покрыть крошечные частицы ферментами и подвергнуть их воздействию химического градиента их субстрата, чтобы экспериментально наблюдать это, но до сих пор мы могли наблюдать их только в течение очень короткого промежутка времени, несколько секунд».
Новое микрофлюидное устройство команды состоит из крошечных каналов, протравленных в полимерном блоке, что позволяет манипулировать чрезвычайно малыми количествами жидкостей. Исследователи могут наблюдать движение частиц в каналах в течение нескольких минут, используя флуоресцентный микроскоп.
«Мы работали с лабораторией нанофабрикации в Пенн Стейт, чтобы разработать Т-образное микрофлюидное устройство», — сказал Адитья Сапре, аспирант химического факультета в Пенн Стейт и член исследовательской группы. «Частицы протекают через верхнюю часть буквы Т и сталкиваются с химическим градиентом, который создаётся у основания буквы Т».
Исследователи могут наблюдать за поведением частиц в камере на пересечении верхней и нижней частей, сказал Сапре.
«Многие каскады ферментов, где один фермент производит продукт, который используется вторым ферментом, встречаются в природе», — сказал Сяотянь Лу, аспирант химического факультета в Пенн Стейт и член исследовательской группы. «Например, частицы, покрытые ферментом кислой фосфатазой, будут следовать за градиентом химического вещества глюкозо-6-фосфата и преобразовывать его в глюкозу. Частицы, покрытые ферментом глюкозооксидазой, который, в свою очередь, использует глюкозу в качестве субстрата, будут следовать по следу, оставленному частицами, покрытыми кислой фосфатазой».
Одна частица следует за другой, подобно хищнику, преследующему свою добычу, — это пример несимметричного взаимодействия. Это явное нарушение третьего закона Ньютона о равенстве и противоположности взаимодействий, которое обычно наблюдается только в живой материи, по словам исследователей.
«Интерес к управлению движением активных частиц с помощью хемотаксиса привлёк внимание к доставке лекарств и грузов в определённые места», — сказал Сен. «Наше новое микрофлюидное устройство позволило нам показать, что мы можем проектировать системы, в которых одна группа частиц будет следовать за другой».
«В конце концов, мы надеемся, что эти принципы помогут, например, добиться прогресса в тех случаях, когда лекарство от рака может быть доставлено непосредственно в опухоль, в отличие от нынешних химиотерапевтических препаратов, которые воздействуют на весь организм», — заключил Сен.