(Ειδήσεις Nanowerk) Τα μπλοκ LEGO μπορούν να συνδεθούν χειροκίνητα μεταξύ τους με συγκεκριμένους προβλεπόμενους τρόπους για τη δημιουργία πολύπλοκων δομών. Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να κατασκευάσουμε ζωντανές δομές που μοιάζουν με LEGO που μπορούν να αυτοαναπαραχθούν και να κινούνται και να μπορούν να προγραμματιστούν να αναπτύσσονται και να αυτοσυναρμολογούνται σε οποιοδήποτε επιθυμητό σχήμα στόχου; Μια διεπιστημονική ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή του MIT Jörn Dunkel και τον Ingmar Riedel-Kruse του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, ανέπτυξε μια πλατφόρμα πειραματικής θεωρίας που πλησιάζει ένα βήμα πιο κοντά σε αυτόν τον στόχο. Χρησιμοποιώντας γενετικά τροποποιημένα βακτήρια και μαθηματική μοντελοποίηση, μπόρεσαν να προγραμματίσουν βακτηριακά συστήματα ώστε να αναπτυχθούν σε αυθαίρετες δισδιάστατες δομές-στόχους.Φύση, "Η λογική προσκόλλησης 4 bit επιτρέπει την καθολική διαμόρφωση πολυκυτταρικής διεπαφής"). Το εργαστήριο Riedel-Kruse δημιούργησε μια εργαλειοθήκη βιομηχανικής που τους επιτρέπει να ελέγχουν τις ιδιότητες προσκόλλησης από κύτταρο σε κύτταρο των κινητών βακτηριακών κυττάρων. Γενετικά τροποποιημένα βακτήρια αναπτύσσουν ορισμένα μόρια στα κυτταρικά τους τοιχώματα που λειτουργούν ως σταθμοί σύνδεσης για κατάλληλα κύτταρα-συνεργάτες. Μόνο τα κύτταρα που έχουν ταιριαστά μόρια μπορούν να κολλήσουν το ένα στο άλλο, ενώ εκείνα που φέρουν μη ταιριαστά γλιστρούν το ένα δίπλα στο άλλο. Μετά τη σπορά ενός μικρού αριθμού βακτηρίων σε διαφορετικές θέσεις σε μια επιφάνεια 2D θρεπτικών συστατικών, τα κύτταρα θα αναπτυχθούν, θα διαιρεθούν και θα μετακινηθούν. Όταν δύο κυτταρικοί πληθυσμοί με ταιριαστά μόρια προσκόλλησης συγκρούονται, σχηματίζουν μια ορατή στερεή διεπιφάνεια της οποίας η θέση και το σχήμα καθορίζονται από τις αρχικές θέσεις σποράς και τις συγκεντρώσεις των κυττάρων. Σμήνη Ε. coli που εκφράζουν ετερόφιλες συνθετικές προσκολλητίνες κυττάρου-κυττάρου σχηματίζουν προγραμματιζόμενες διεπαφές, οι οποίες επιτρέπουν πολύπλοκα μοτίβα πλακιδίων και πλακιδίων σε κλίμακα ιστού. (Εικόνα: Εργαστήριο Riedel Kruse/Πανεπιστήμιο της Αριζόνα) Χρησιμοποιώντας την ευέλικτη εργαλειοθήκη βιομηχανικής τους, οι ερευνητές ήθελαν να δημιουργήσουν περίπλοκα μοτίβα στόχων. Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, η ομάδα έπρεπε να κατανοήσει: Πόσοι διαφορετικοί τύποι κελιών απαιτούνται για την υλοποίηση αυθαίρετων μοτίβων διεπαφής; Πώς θα πρέπει να σχεδιαστούν οι κανόνες αμοιβαίας αλληλεπίδρασης; Ποιες είναι οι σωστές συνθήκες σποράς για να πραγματοποιηθούν οι επιθυμητές δισδιάστατες δομές; Για να απαντήσουν σε αυτές τις ερωτήσεις, ο Dunkel και ο διδάκτορας του Dominic Skinner, τώρα μεταδιδακτορικός συνεργάτης του NSF-Simons στο Northwestern University, προσπάθησαν να διαμορφώσουν ένα μαθηματικό μοντέλο που θα τους επέτρεπε να προσομοιώσουν την ανάπτυξη και τη δυναμική των βακτηριακών σμηνών και να προβλέψουν το σχηματισμό τα μοτίβα διεπαφής. «Το να κάνεις πειράματα δοκιμής και λάθους είναι πολύ ακριβό και χρονοβόρο», λέει ο Dunkel. «Έτσι, ο Dominic ανέπτυξε και εφάρμοσε ένα μοντέλο που θα μπορούσε να προβλέψει το αναμενόμενο αποτέλεσμα σε λίγα λεπτά». Ο Skinner παρομοιάζει τα προγραμματισμένα βακτήρια με ζωντανά LEGO. «Το εργαστήριο του Ingmar δημιουργεί τα βιολογικά δομικά στοιχεία και εμείς δημιουργούμε το εγχειρίδιο με τα μοντέλα μας», λέει. "Το εργαστήριό του τοποθετεί τα βακτήρια στα σωστά σημεία - σωρεύουν, διαιρούνται και συλλογικά χτίζουν το επιθυμητό σχήμα στόχο." Προσθέτει ο Dunkel, «Αυτά τα μοναδικά πειραματικά συστήματα καθιστούν δυνατή την εξερεύνηση ορισμένων θεμελιωδών βιολογικών ερωτημάτων: Πόσοι τύποι κυττάρων χρειάζονται για να αναπτυχθούν ορισμένα πρότυπα; Πόσες πληροφορίες πρέπει να κωδικοποιηθούν στο DNA για να επιτευχθεί ένα ορισμένο επίπεδο δομικής πολυπλοκότητας; Τι ελέγχει τα αναδυόμενα σχήματα; Η καλή συμφωνία μεταξύ των προβλέψεων πειράματος και μοντέλων μας επιτρέπει να μελετήσουμε αυτές τις ερωτήσεις χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις υπολογιστή με πολύ μικρό κόστος». Πέρα από αυτό, η έρευνα προτείνει υποσχέσεις για διάφορες άμεσες πρακτικές εφαρμογές στο σχεδιασμό βιοϋλικών. «Στο έγγραφό μας, παρέχουμε υλοποιήσεις απόδειξης της ιδέας αυτοαναπτυγμένων ελαστικών φύλλων και δομών καναλιών που μπορούν να μεταφέρουν σταγονίδια υγρού στα επιθυμητά μέρη», λέει ο Dunkel.