Strukturen aus Bausteinen können ihre Form verändern und sich autonom zu einer neuen Konfiguration selbst organisieren. Die Physiker Saeed Osat und Ramin Golestanian vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) haben diesen Mechanismus aufgedeckt, der genutzt werden kann, um die molekulare Organisation aktiv zu manipulieren. Ein Seed der neuen gewünschten Konfiguration reicht aus, um eine Reorganisation auszulösen.
Dieses Prinzip lässt sich auf biologische Bausteine übertragen, die in lebenden Systemen ständig zu neuen Strukturen recycelt werden.
Das Konzept des Umbaus ist den meisten bekannt: Wer schon einmal mit Legosteinen gespielt hat, weiß, dass aus den gleichen Bauteilen viele Kombinationen und Strukturen möglich sind.
Typischerweise beschreibt ein beigefügtes Handbuch die Anordnung der einzelnen Blöcke und die Form der endgültigen Struktur. Der anfängliche Zusammenbau von nur wenigen Teilen kann dabei bereits bestimmen, wie alle anderen Teile befestigt werden müssen. „Unser Modell beschreibt die Umordnung von Bausteinen in physikalischen Systemen ausgehend von einer gegebenen Struktur“, erklärt Saeed Osat, der Erstautor der Studie. „Wenn nur wenige Stücke in einer gegebenen Struktur verändert werden, fungieren sie als Keim, der zu einer völlig neuen Komposition führt.“
Wie in einem Lego-Handbuch gibt es bestimmte Regeln, wie die Blöcke angeordnet werden müssen. Im Modell des Forschers leitet sich die Bauanleitung aus einer Liste möglicher molekularer Wechselwirkungen ab. Diese hängen vom Energiezustand des Systems, der Größe des Seeds und den nicht-reziproken Wechselwirkungen zwischen den Komponenten ab.
„Unter bestimmten Bedingungen können wir dann eine vielfältige Reorganisation in neue Formen beobachten“, erklärt Ramin Golestanian, Leiter der Abteilung Physik lebender Materie und Direktor am MPI-DS. „Wir haben eine neue Lernregel identifiziert, die dazu führt, dass Strukturen ihre Form dynamisch verändern, abhängig von den nicht-reziproken Wechselwirkungen zwischen ihren Teilen.“
In der Biologie findet ständig eine Umordnung von Bausteinen statt. Anstatt komplexe Strukturen als Ganzes zu entsorgen, werden sie in ihre Einzelteile zerlegt, aus denen neue Kompositionen entstehen. Das Modell kann somit helfen, die Prinzipien der Selbstorganisation in lebender Materie zu verstehen. Ebenso kann das Prinzip der Nichtgleichgewichtssynthese und der autonomen Selbstorganisation bei der Entwicklung technischer Strategien zum Design von molekularen robotischen Formwandlern nützlich sein.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur Nanotechnologie.
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Saeed Osat et al, Non-reciprocal multifarious self-organization, Natur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01258-2