Explorer les systèmes logiques chimiques qui peuvent répondre aux conditions environnementales

La capacité de traiter les informations obtenues à partir de leur environnement immédiat aide les organismes à accomplir des tâches difficiles. Même la forme de vie la plus simple (une seule cellule) peut détecter divers stimuli chimiques et physiques et traiter ces informations grâce à leur logique intracellulaire complexe intrinsèque pour exécuter des fonctions cellulaires complexes telles que la division cellulaire, la motilité cellulaire et le transport de marchandises.

Ces dernières années, l’objectif de développer des systèmes artificiels vivants a conduit à l’exploration de réactions chimiques complexes, qui résident dans un état hors d’équilibre. Cependant, exploiter tout le potentiel de tels systèmes, en ce qui concerne leur capacité à traiter les informations provenant de multiples stimuli externes et à exécuter des fonctions spatio-temporelles programmables, reste inexploré. Des scientifiques du Center for Self-assembly and Complexity (CSC), de l’Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud), ont mis au point des systèmes chimiques hors équilibre, capables de détecter plusieurs stimuli externes (par exemple, la lumière, son, oxygène atmosphérique) et traiter ces informations pour exécuter des fonctions spatio-temporelles réalistes programmables.

Les chercheurs ont surnommé ces « systèmes logiques chimiques » (CLS), puisque les informations fournies à ces systèmes à partir de multiples entrées externes sont traitées en suivant la logique booléenne pour arriver au résultat souhaité. Les chercheurs décrivent deux CLS dans cette étude, dont l’un conduit à la formation de modèles chimiques spatio-temporels programmables et l’autre entraîne le mouvement spatio-temporel programmable d’une cargaison flottante. « Le choix des systèmes hors équilibre appropriés est un aspect important dans le développement des CLS. Travailler sur ce projet était très amusant car la plupart du temps, nous avons pu prédire les résultats expérimentaux en fonction du programme que nous avons défini », explique Seoyeon Choi. , étudiant diplômé à POSTECH et premier auteur de cette étude.

Les chercheurs ont d’abord conçu CLS-1 sur la base de la chimie redox du méthylviologène (MV2+), qui est connu pour être réduit à sa forme radicalaire cationique (MV•+) par irradiation à la lumière visible, en présence d’un photosensibilisateur et d’un réducteur sacrificiel . En exposant une solution de CLS-1 de couleur jaune prise dans une boîte de Pétri avec de la lumière visible, un son audible et de l’oxygène atmosphérique, elle est d’abord devenue vert foncé, puis s’est progressivement réorganisée en un motif spatio-temporel composé d’anneaux concentriques vert foncé et jaune (une sortie souhaitée). L’absence de l’un quelconque des trois signaux d’entrée conduit à une sortie indésirable, par exemple, un motif chimique aléatoire. Les résultats suggèrent clairement que CLS-1 a présenté une réponse de porte logique ET vers les trois entrées : lumière, son et oxygène. Les gradients chimiques dans les modèles spatio-temporels pourraient être davantage réglés en utilisant un photomasque pendant le processus de photoirradiation.

L’équipe a ensuite exploré CLS-2 qui présentait une dissolution rapide et réversible d’un assemblage peptide-bases en réponse à une irradiation à la lumière bleue. Cela s’est accompagné d’un changement réversible de la tension superficielle de la solution, entraînant un effet Marangoni induit, qui peut être utilisé pour propulser une cargaison flottante sur une surface de solution. Les chercheurs ont ensuite exécuté un tel mouvement de cargaison en présence d’un son audible et ont observé que la topographie en forme d’anneau concentrique générée de la surface de la solution agissait comme des pistes modélisées pour le mouvement spatio-temporel contrôlé d’une cargaison flottante (bille de polystyrène). Le mouvement de la cargaison ne pouvait être programmé efficacement que lorsque la lumière et le son audible étaient simultanément irradiés, CLS-2 présentait donc une réponse de porte logique ET vers les deux stimuli d’entrée.

Les auteurs ont en outre observé qu’au moins deux types différents de mouvement de fret pouvaient être obtenus en contrôlant les paramètres de l’entrée sonore audible. Une entrée sonore de 38 Hz et 0,06 g (Audio-I) a entraîné un mouvement orbital de la cargaison le long des voies circulaires. D’autre part, avec une entrée sonore légèrement modifiée (42 Hz et 0,08 g; Audio-II), un mouvement radial à courte distance de la cargaison a été observé. L’application des deux signaux d’entrée a en outre été combinée de manière à exécuter une séquence prédéterminée de mouvement orbital et radial court de la cargaison, ce qui a entraîné un niveau encore plus élevé ou des fonctions compliquées telles que la navigation d’une cargaison dans un labyrinthe.

Selon le Dr Mukhopadhyay, auteur co-correspondant à cet ouvrage qui a mené cette étude, « Concevoir le labyrinthe était un véritable défi pour nous. Un labyrinthe conventionnel avec de véritables barrières physiques aurait interféré avec la formation des ondes de Faraday. Pour contourner ce problème , nous avons pensé à utiliser un photomasque en forme de labyrinthe et à le projeter sur la solution CLS-2. Cela nous a aidés à faire naviguer la cargaison flottante uniquement le long d’un chemin complexe prédéterminé, où elle était doublement exposée à l’irradiation lumineuse et aux ondes sonores.

Les chercheurs du CSC-IBS pensent que la stratégie actuelle consistant à exploiter le son et la lumière audibles en combinaison pour manœuvrer une cargaison dans un labyrinthe, en évitant les méthodes conventionnelles basées sur la chimiotaxie, la phototaxie, la magnétotaxie, etc., ajoute un nouvel outil aux chercheurs pour développer des matériaux présentant des propriétés proches du vivant et dans le domaine de la chimie des systèmes en général. Le professeur Kimoon Kim, directeur du Center for Self-assembly and Complexity, qui a supervisé l’ensemble des avis de recherche, « Le développement de CLS hors équilibre peut être l’une des pièces manquantes d’un puzzle très complexe qui peut relier le vivant et les domaines non vivants. Le présent résultat n’est qu’un petit pas dans cette direction, atteindre un niveau similaire de complexité des CLS qui fonctionnent dans une cellule reste un objectif lointain. Il rit et ajoute : « Actuellement, les produits chimiques n’agissent que comme des personnages munis d’un scénario programmé. Peut-être que, comme un réalisateur de film, je peux commander – Lumière… Son… et Action !

Les résultats de cette étude ont été publiés le 13 mai dans Chimie.

Fourni par l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH)