Leven nagebootst: een doorbaak in niet-levende materialen

Nieuws - 10 november 2022 - Communication TNW

Onderzoekers van het Eelkema Lab hebben een nieuw proces ontdekt dat met brandstof niet-levende materialen kan aansturen, vergelijkbaar met hoe levende cellen dat doen. De reactiecyclus is eenvoudig op een breed palet van materialen toe te passen en ook de snelheid ervan is controleerbaar; een doorbraak in het opkomende veld van zulke reacties. De ontdekking is een stapje in de richting van zachte robotica; zachte machientjes die zelf merken wat er in hun omgeving gebeurt en daarop kunnen reageren. De scheikundigen hebben hun bevindingen afgelopen maand in Nature Communications gepubliceerd.

Chemicus Rienk Eelkema en zijn groep proberen de natuur na te bootsen, specifiek de chemische reacties in levende cellen die de brandstof leveren om de cel aan te sturen. De gereedschapskist van reacties die op dezelfde manier niet-levende materialen aansturen is beperkt, vertelt Eelkema. “Er zijn tot nu toe maar zo’n vijf soorten reacties die onderzoekers veel gebruiken. Die reacties hebben twee flinke nadelen: hun snelheid is moeilijk te controleren en ze werken maar op een specifieke set moleculen.” Eelkema en promovendus Benjamin Klemm, eerste auteur van de publicatie, vonden een nieuwe soort reactie waarvan de snelheid wél goed te controleren is en die bovendien werkt op een breed scala aan materialen. 

Opzwellende gel

“De essentie van de reactiecyclus is dat hij kan schakelen tussen een ongeladen en een geladen deeltje, door er een chemische brandstof aan toe te voegen”, legt Eelkema uit. “Zo kunnen we materialen opladen en daarmee de structuren van die materialen aanpassen, want gelijke lading stoot elkaar af en verschillende lading trekt elkaar aan. Het type en de hoeveelheid brandstof bepaalt de snelheid van de reactie, en dus hoe lang een lading en daarmee een bepaalde structuur bestaat.” De onderzoekers laadden met hun reactiecyclus bijvoorbeeld een hydrogel op, waarop de ladingen elkaar afstoten en de gel begon op te zwellen.

Time-lapse fotoserie van een hydrogel met brandstof toegevoegd (middelste rij) in vergelijking met een controle hydrogel waaraan niets is toegevoegd (bovenste rij), over een periode van drie weken (504 uur). De onderste rij laat een hydrogel zien die zelfstandig van vorm verandert doordat er twee verschillende soorten brandstof aan zijn toegevoegd.

Zachte robots

De cyclus van chemische reacties zou van pas kunnen komen om zachte robots te bouwen: apparaatjes die fysiek zacht zijn, net als onze huid en weefsels, en een bepaalde functie uit kunnen voeren. “Zachte robots bestaan al wel, bijvoorbeeld microdeeltjes die van buitenaf bestuurd worden met magnetische of elektrische velden. Maar uiteindelijk wil je dat een robot zichzelf kan aansturen: dat hij zelf ziet waar hij is en wat er gebeurt en daar dan op reageert”, zegt Eelkema. “Onze cyclus programmeer je van tevoren in een deeltje, daarna laat je het los voert het zelfstandig zijn functie uit zodra het daarvoor een signaal tegenkomt.”

Eelkema’s volgende stap is om het proces aan de omgeving te koppelen door er signaalverwerking aan toe te voegen: “In een polymeerdeeltje zou bijvoorbeeld een aantal componenten van zo’n cyclus ingepakt kunnen zitten. Wanneer dat het laatste onderdeel van de reactie tegenkomt, dan maakt dat de cyclus compleet en geldt dat als signaal om bijvoorbeeld uit elkaar te vallen of op te zwellen.”
 

De definitie van leven

Cellen van mensen of andere organismen hebben energie nodig voor allerlei functies: om te bewegen, om te voelen dat er iets gebeurt of om zich te delen. “Dat is ook de reden waarom wij als mens moeten eten,” legt Eelkema uit. “Die koppeling van energie aan functie loopt via chemische reacties en is wat levende wezens definieert. Het maakt dat cellen lokaal en voor een gelimiteerde tijd kunnen bepalen wanneer en waar structuren gevormd worden of processen plaatsvinden.”

Niet-levende materialen kunnen daarentegen tot in de eeuwigheid bestaan en functioneren zonder energietoevoer. Tot voor tien jaar geleden bestonden er geen processen die een chemische brandstof gebruiken om interacties in niet-levende materialen te sturen. Eelkema: “Wij hebben dat hier in Delft, samen met een paar andere plekken, geïntroduceerd en sindsdien is dat veld geëxplodeerd.”
 

Benjamin Klemm

Promovendus

Rienk Eelkema

Associate Professor

/* */