Peki ya yumuşak bir malzeme, elektronik ya da motorların yönlendirmesiyle değil, en basit organizmalara güç sağlayan ilkel kimyasal sinyallerle yönlendirilerek kendi başına hareket edebilseydi? Pittsburgh Üniversitesi Swanson Mühendislik Okulu’ndaki araştırmacılar tam da bunu modellediler: vücudumuzda bulunan karmaşık biyokimyasal makinelere ihtiyaç duymadan, kimyasal reaksiyonları kendi başına doğrudan mekanik harekete dönüştüren sentetik bir sistem.
Tıpkı denizanası gibi, en basit organizmaların bazılarının merkezi bir beyni veya sinir sistemi yoktur. Bunun yerine, kimyasal sinyaller yayan ve alan aktif bağlantılarla birbirine bağlanan dağınık sinir hücrelerinden oluşan bir “sinir ağı” vardır. Merkezi bir “işlemci” olmasa bile, kimyasal sinyaller kendiliğinden ağ üzerinden geçerek organizmaların hayatta kalması için gereken otonom hareketi tetikler.
Yayınlanan bir çalışmada PNAS Bağlantı Noktası, Araştırma görevlisi Oleg E. Shklyaev ve Seçkin Kimya ve Petrol Mühendisliği Profesörü ve John A. Swanson Mühendislik Kürsüsü Anna C. Balazs, kimyasal ve mekanik ağları, en eski ve en basit canlı sistemlerin hareketi nasıl koordine ettiğini taklit edecek şekilde birbirine bağlayan bir “sinir ağı” içeren yumuşak bir malzeme tasarlamak için bilgisayar simülasyonları geliştirdiler.
Balazs, “Canlı organizmalarda kimyasal sinyaller, kalp dokusunun atışından bitkinin güneş ışığına doğru eğilmesine kadar her zaman hareketi tetikliyor” dedi. “Bu davranışı sentetik malzemelerde yeniden üretebilecek mümkün olan en basit sistemin hangisi olduğunu sorduk?”
Kimyasal dalgalardan harekete
Modelin kalbinde ritmik kimyasal salınımlar üreten basit bir geri besleme döngüsü (baskılayıcı) yer alıyor. Araştırmacılar bu sistemi, malzemenin gövdesini oluşturan esnek bağlantılarla birbirine bağlanan bir dizi enzim kaplı mikroskobik boncuk olarak kopyaladılar. Boncuklar, mekanik olarak duyarlı doku veya yumuşak bir omurga oluşturacak şekilde birbirine dizilmiş omurlar olarak görülebilir.
Boncuk yüzeylerinde kimyasal reaksiyonlar meydana geldiğinde, zincir boyunca dalgalanan, değişen konsantrasyonlarda dalgalar oluştururlar. Bu kimyasal dalgalar sıvı hareketini tetikliyor, bu da ağı deforme ederek kimyayı etkili bir şekilde mekanik harekete dönüştürüyor. Ekip bu bağlantıya kemo-mekanik ağ (CMN) adını veriyor.
Görsel düzeyde Shklyaev, davranışı “kasılma dalgalarının vücutta hareket ederek onu ileri doğru ittiği bir kırkayak veya yassı solucana” benzetiyor.
Araştırmacılar, ağın kimyasal yapısını ve geometrisini ayarlayarak (örneğin boncukları halkalar halinde düzenlemek gibi) dalganın uzunluğunu ve hızını kontrol edebileceklerini buldular. Kapalı döngüler hareketin sistem etrafında sürekli olarak akmasını sağlar.
Kendi kendine hareket eden bir Slinky
Balazs başka bir benzetme olarak Slinky oyuncağını önerdi.
“Merdivenlerin tepesine bir daracık yerleştirirseniz ve onu basit bir şekilde iterseniz, yerçekimi devreye girer ve potansiyel enerjisi kinetik harekete dönüşür” dedi. “Şimdi belirli bobinleri belirli kimyasal reaksiyonları tetikleyen enzimlerle boyadığınızı hayal edin. Kimyayı başlattığınızda Slinky kendi kendine hareket eder, çünkü reaksiyonlar bobinler boyunca dalgalar gönderir, onları belirli bir yönlendirilmiş hareket dizisiyle büker ve esnetir.”
Bu benzetmede Slinky mekanik omurgayı temsil ediyor ve renkli enzim bölgeleri kimyasal sinir uçları gibi davranıyor. Bir bölge tepki verdiğinde, komşularına kimyasal bir “mesaj” gönderir – tıpkı nöronların sinyal iletmesi gibi – yapının bazı kısımlarının seçici olarak hareket etmesine neden olur.
Balazs, “Sistemimiz belirli bölgelere hareket etme talimatı verebilir” dedi. “Örneğin, bir reaksiyon bir bölümün kaldırılmasına neden olurken, bir başkası farklı bir bölgenin esnemesine neden olabilir. Bu, en basit biçimine, kimyaya yön veren mekaniğe indirgenmiş otonom bir sistemdir.”
Uyaranlara duyarlı malzemeler belirli bir hareketi üretmek için dış uyaranlardan yararlanabilirken, malzemeler genellikle yalnızca bir veya iki farklı ipucuna duyarlıdır ve sınırlı bir hareket repertuarına tabidir. Burada, kaplanmış boncuklar pozisyona özgü ve enzime özgü kimyasal sinyaller üretir ve dolayısıyla kaplanmış boncukların kimyasını ve konumlarını değiştirmek, geniş bir dinamik davranış aralığına yol açabilir.
Kimyasal sinir sistemi
Ekibin modeli, kimyasal reaksiyon ağlarının (CRN’ler) herhangi bir elektronik veya merkezi kontrol olmadan mekanik koordinasyona nasıl yol açabileceğini gösteriyor.
Shklyaev, “Bu basit sistemin bir beyne veya elektrik sinyaline ihtiyacı yok” dedi. “Kimyasal reaksiyon başladığında, yapıyı hareket ettiren ve tamamen kendi kendine yeten akışlar üretir.”
Çalışma, vücut sıvısında çalışan CRN’ler ile suya batmış elastik dokular (boncuklar ve bağlantılar) arasında, karşılık gelen bir kemo-mekanik ağın (CMN) oluşumuna yol açan doğal bir bağlantıyı ortaya koyuyor. İnsan vücudunun %60’ı sudur ve enzimlerle doludur. Sulu çözeltilerdeki enzimatik reaksiyonlar, çeşitli mekanizmalar yoluyla, kimyasal enerjiyi mekanik eyleme dönüştürebilen doğal olarak gradyanlar üretir.
CMN’lerin oluşumu ve CRN’ler ile elastik dokular arasındaki etkileşimleri tanımlayan süreçler biyolojide sıklıkla ihmal edilir. CRN-CMN’ler, sinyal gönderip alan, hareket üreten ve hatta biyolojik dokuların besin maddelerini nasıl taşıdığı veya uyaranlara nasıl tepki verdiği gibi mikroskobik kargoyu yapısı boyunca taşıyabilen kapalı bir kimyasal devre oluşturur.
Konsept, gelecekteki yumuşak robotlara, duyarlı malzemelere veya akışkan ortamlarda otonom olarak çalışan kimyasal bilgi işlem sistemlerine bilgi verebilir.
Basit bileşenler, karmaşık davranış
Balazs, “Biyoloji bize karmaşıklığın basitlikten ortaya çıktığını gösteriyor” dedi. “Yalnızca birkaç temel bileşenin (kimya, esneklik ve sıvı akışı) birleştirilmesiyle maddi bir hareket görüyoruz. Kimyasal yakıtı harekete dönüştürüyor, parçalarını koordine ediyor ve kablolara, devrelere veya motorlara ihtiyaç duymadan iş yapıyor.
“Bu biraz çizburger yiyip sonra kolunuzu hareket ettirmeye benziyor” diye şaka yaptı. “Siz yakıt eklersiniz, gerisini o halleder.”
Sonuçta araştırma, otonom, uyarlanabilir malzemeler (elektrik yerine kimyayı düşünen yumuşak sistemler) oluşturmak için bir plan sağlıyor.
