Ученые смогли запрограммировать «жизнь» самоорганизующихся наноструктур

Как известно, материалы, способные самостоятельно собираться и самоуничтожаться, как только их работа сделана, являются очень выгодными для ряда приложений: в качестве компонентов временных систем хранения данных или для медицинских устройств. К примеру, такие материалы могут запечатывать кровеносные сосуды во время операции и повторно открывать их впоследствии.

Доктором Андреасом Вальтером, руководителем группы исследователей Института интерактивных материалов Лейбница в Аахене, разработана водная система, которая использует единую отправную точку, чтобы вызвать самосборку, стабильность которой запрограммирована на весь цикл до разборки, и происходит без каких-либо дополнительных внешних сигналов – своего рода искусственный механизм саморегуляции в закрытых условиях, пишет на своих страницах зарубежное издание phys.org.

Бионические принципы синтеза сложных материалов являются одним из ключевых научных интересов Андреаса Вальтера. Для подготовки очень маленьких, сложных нанотехнологических объектов может применяться самостоятельная сборка. Как правило, во время искусственной самосборки молекулярные взаимодействия руководят крошечными блоками, агрегируя их в 3D-структуры, пока не будет достигнуто равновесие. Однако, природа идет на шаг вперед и запрещает определенные процессы достижения равновесия. Сборка конкурирует с разборкой, и, таким образом, происходит саморегулирование. Например, микротрубочки, компоненты цитоскелета, постоянно растут и перестраиваются. После того, как закончится их биологическое топливо, они будут разбираться.

Это мотивировало Андреаса Вальтера и его команду на разработку водной закрытой системы, в которой точный баланс между реакциями сборки и запрограммированной активацией реакции разложения управляет сроком службы материалов. Единственный стартовый толчок инициирует процесс, что отличает новый подход от известных систем, которые всегда требуют второго сигнала для запуска разборки.

При этом подходе для контроля над процессом используется изменения рН. Вначале рН быстро повышается, и строительные блоки: блоки-сополимеры, наночастицы или пептиды, собираются в трехмерные структуры. В то же время изменение рН стимулирует бездействующий дезактиватор. Аспирант Томас Хейзер объясняет: «Спящий дезактиватор медленно активизируется и вызывает отключение. Но потребуется некоторое время, прежде чем выключатель развернет весь свой потенциал. В зависимости от молекулярной структуры дезактиватора это может занять минуты, часы или целый день. До тех пор самоорганизующиеся наноструктуры остаются стабильными».

В настоящее время для активации покоящегося дезактиватора применяется гидролитическая реакция. Однако, Андреас Вальтер и его коллеги уже работают над более сложными версиями, включающими в себя ферментативную реакцию, которая медленно запускает механизм самоуничтожения.