16.11.2022 - Technische Universiteit Delft

Das Leben imitieren: ein Durchbruch bei nicht-lebenden Materialien

Forscher haben ein neues Verfahren entdeckt, bei dem Treibstoff verwendet wird, um nicht-lebende Materialien zu kontrollieren, ähnlich wie es lebende Zellen tun

Der Reaktionszyklus lässt sich leicht auf eine Vielzahl von Materialien anwenden, und seine Geschwindigkeit kann kontrolliert werden - ein Durchbruch auf dem aufstrebenden Gebiet solcher Reaktionen. Die Entdeckung ist ein Schritt in Richtung Soft-Robotik: weiche Maschinen, die wahrnehmen können, was in ihrer Umgebung geschieht, und entsprechend reagieren. Die Chemiker haben ihre Ergebnisse letzten Monat in Nature Communications veröffentlicht.

Der Chemiker Rienk Eelkema und seine Gruppe versuchen, die Natur zu imitieren, insbesondere die chemischen Reaktionen in lebenden Zellen, die den Treibstoff für die Steuerung der Zelle liefern. Die Auswahl an Reaktionen, die nicht lebende Materialien auf die gleiche Weise antreiben, ist begrenzt, erklärt Eelkema. "Bislang gibt es nur etwa fünf Arten von Reaktionen, die von Forschern häufig verwendet werden. Diese Reaktionen haben zwei große Nachteile: Ihre Geschwindigkeit ist schwer zu kontrollieren und sie funktionieren nur bei einer bestimmten Gruppe von Molekülen". Eelkema und der Doktorand Benjamin Klemm, Hauptautor der Publikation, fanden eine neue Art von Reaktion, deren Geschwindigkeit effektiv kontrolliert werden kann und die auch bei einer Vielzahl von Materialien funktioniert.

Aufquellendes Gel

"Das Wesen des Reaktionszyklus besteht darin, dass er zwischen einem ungeladenen und einem geladenen Teilchen umschalten kann, indem man ihm einen chemischen Brennstoff hinzufügt", erklärt Eelkema. "Dadurch können wir Materialien aufladen und so ihre Struktur verändern, denn gleiche Ladungen stoßen sich ab und unterschiedliche Ladungen ziehen sich an. Die Art und Menge des Treibstoffs bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit und damit, wie lange eine Ladung und damit eine bestimmte Struktur bestehen bleibt." Mit ihrem Reaktionszyklus luden die Forscher zum Beispiel ein Hydrogel auf, woraufhin sich die Ladungen gegenseitig abstießen und das Gel zu quellen begann.

Soft-Roboter

Der Zyklus chemischer Reaktionen könnte sich als nützlich erweisen, um Soft-Roboter zu bauen: kleine Geräte, die physisch weich sind, wie unsere Haut und unser Gewebe, und die bestimmte Funktionen ausführen können. "Soft-Roboter gibt es bereits, zum Beispiel Mikropartikel, die von außen durch magnetische oder elektrische Felder gesteuert werden. Aber letztlich möchte man, dass ein Roboter sich selbst steuern kann: Er soll selbst sehen, wo er ist und was passiert, und dann entsprechend reagieren", sagt Eelkema. "Man kann unseren Zyklus im Voraus in ein Teilchen programmieren, es dann in Ruhe lassen, und es führt seine Funktion selbständig aus, sobald es ein entsprechendes Signal erhält."

Eelkemas nächster Schritt besteht darin, den Prozess mit der Umgebung zu verknüpfen, indem er ihn um Signalverarbeitung ergänzt: "Ein Polymerpartikel könnte zum Beispiel einige Komponenten eines solchen Zyklus enthalten. Wenn es auf den letzten Teil der Reaktion trifft, ist der Zyklus abgeschlossen und dient als Signal, sich zu zersetzen oder aufzublähen."

Die Definition von Leben

Die Zellen des Menschen oder anderer Organismen benötigen Energie für eine Reihe von Funktionen: um sich zu bewegen, um zu spüren, dass etwas passiert, oder um sich zu teilen. "Das ist auch der Grund, warum wir Menschen essen müssen", erklärt Eelkema. "Diese Verknüpfung von Energie und Funktion findet durch chemische Reaktionen statt und ist das, was Lebewesen ausmacht. Sie ermöglicht es den Zellen, lokal und zeitlich begrenzt zu steuern, wann und wo Strukturen gebildet werden oder Prozesse ablaufen."

Im Gegensatz dazu können nicht-lebende Materialien ewig existieren und ohne Energiezufuhr funktionieren. Bis vor einem Jahrzehnt gab es keine Prozesse, die einen chemischen Treibstoff nutzen konnten, um Interaktionen in nicht-lebenden Materialien anzutreiben. Eelkema: "Wir haben das hier in Delft eingeführt, zusammen mit ein paar anderen Orten, und seitdem ist das Feld explodiert."

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