RIKEN-Forscher versuchen, Selbstorganisationsprozesse nachzuahmen, die auf natürliche Weise auftreten, und haben gezeigt, dass die Selbstorganisation von stäbchenförmigen Viren durch die Anwendung eines Magnetfeldes gesteuert werden kann. Dies könnte bei der Entwicklung künstlicher Selbstorganisationsprozesse helfen, die kontrollierbarer sind als vorhandene. Die Studie ist veröffentlicht In Naturkommunikation.
Beim Bau eines Hauses muss ein Maurer jeden Ziegelstein mitnehmen und festigen. In vielen biologischen Prozessen ordnen sich die „Ziegel“ spontan in Strukturen an. Aufgrund ihrer hohen Effizienz und Präzision werden solche Selbstorganisationsprozesse in Bereichen wie Nanotechnologie und Materialwissenschaft zunehmend verwendet.
Im Gegensatz zu natürlichen Selbstorganisationsprozessen, die enden, sobald die Struktur eine bestimmte Größe erreicht, tendieren künstliche in der Regel auf unbestimmte Zeit. Zum Beispiel hört die Proteinhülle eines Virus auf zu wachsen, wenn sie zu einer Kugel oder Rohr mit einem bestimmten Durchmesser wird.
„Da wir die Strukturgröße in künstlichen Selbstorganisationsprozessen nicht kontrollieren können, ist die endgültige Größe und die Formverteilung solcher Strukturen sehr breit“, erklärt Yasuhiro Ishida vom Riken Center for Emergent Matter Science.
Ishida möchte feststellen, wie die Natur die Größe in Selbstorganisationsprozessen kontrolliert, und dann versuchen, sie im Labor zu replizieren.
„Unsere Frage ist: Wie kann die Größe der Naturkontrollstruktur in solch unkontrollierbaren Systemen die Größe der Naturkontrollstruktur?“ sagt Ishida. „Es muss einen Mechanismus geben, der die Größe und Form automatisch auch unter Gleichgewichtsbedingungen steuert.“
Jetzt hat das Team von Ishida stabförmige Viren verwendet, um ein Selbstorganisationssystem zu demonstrieren, das Scheiben produziert, deren Durchmesser von einem Magnetfeld gesteuert werden können. Die magnetisch induzierte Verdrehung nutzt eine Eigenschaft, die als Chiralität bekannt ist, mit der viele natürliche Systeme die Strukturgröße begrenzen.
Wenn die Viren chiral sind, packen sie es vor, mit einer leichten Wendung zwischen den Nachbarn zusammenzupacken. Wenn kein Magnetfeld angewendet wird, sammelt die Scheibe während der Selbstbekämpfung eine Wendung, wodurch sie nicht mehr wächst, sobald sie einen bestimmten Durchmesser erreicht.
Das Auftragen eines Magnetfeldes auf die Viren während der Selbstorganisation verringert die Verdrehung zwischen benachbarten Viren, wodurch die Festplatte größer wird. Die Variation der Magnetfeldintensität verändert die Scheibengröße entsprechend.
„Dieser Prozess übertrifft natürliche Systeme darin, dass er den Endpunkt seines Wachstums adaptiv verändern kann“, sagt Ishida.
Als die Forscher das Magnetfeld ausschalteten, nachdem sich die Scheiben gebildet hatten, lösten sich die Scheiben langsam auf und produzierten korkenzieherähnliche Strukturen. „Ich war so überrascht, als meine Schüler mir das Video dieser Auflösung zeigten“, erinnert sich Ishida. „Es war sehr schön zu sehen.“
Letztendlich möchte das Team von Ishida über die Natur hinausgehen und innovative Selbstorganisationssysteme entwickeln. „Unser ultimatives Ziel ist es, Selbstorganisation zu verwenden, um beispielsweise Dinge wie kleine Operationen im Körper auszuführen“, sagt Ishida.
Weitere Informationen:
Shuxu Wang et al., Stimuli-responsive selbstregulierende Anordnung von chiralen Kolloiden für robuste Größe und Formkontrolle, Naturkommunikation (2024). Doi: 10.1038/s41467-024-54217-x