Элиза Франко, доцент кафедры машиностроения инженерного колледжа Борнса Калифорнийского университета в Риверсайде, и другие исследователи разработали методы проверки тысяч копий этого генератора с использованием мелких капель. Они неожиданно обнаружили, что осцилляторы внутри этих маленьких капелек ведут себя по-разному с точки зрения периода, амплитуды и фазы.«Это разнообразие будет играть важную роль в разработке сложных моделей поведения в искусственных клетках, и мы воспользуемся им», — сказал Франко.На этой неделе в журнале Nature Chemistry была опубликована статья «Разнообразие динамического поведения раздробленного программируемого биохимического осциллятора».
Соавторами были: Максимилиан Вайц, Корбиниан Капснер и Фридрих К. Зиммель, все из Технического университета Мюнхена в Германии, и Йонгмин Ким и Эрик Винфри, оба из Калифорнийского технологического института.Электронные генераторы — это схемы, которые генерируют периодический электронный сигнал, и они используются для регулирования различных устройств, от радио- и телевизионных передатчиков до мобильных телефонов и компьютеров. Биологические системы также регулируются сложными молекулярными осцилляторами, от уровня отдельных клеток до целых организмов.
На протяжении десятилетий ученые пытались придумать способы создания искусственных программируемых осцилляторов с молекулами. Искусственные осцилляторы могут помочь настроить хронометраж в клетках и регулировать искусственные клетки.
Их также можно использовать в качестве компонентов в молекулярных компьютерах, которые могут создать золотую середину между компьютерами и природой.Франко и другие исследователи работали с минималистичными искусственными часами, сделанными из суповой смеси ДНК, РНК и белков. К смеси осциллятора добавляли масляную смесь и встряхивали для создания эмульсии с тысячами капель воды в масле. Каждая капля содержала копию смеси осцилляторов.
Франко сравнил эту простую процедуру приготовления эмульсии с приготовлением заправки для салата с маслом и уксусом.В то время как эмульсии — это обычная лабораторная техника, используемая для создания множества небольших образцов и параллельного проведения тысяч экспериментов, не во многих исследованиях изучались динамические схемы, такие как генераторы.В экспериментах, описанных в статье Nature Chemistry, «мигающие» капли, содержащие осциллятор, изучались под микроскопом, где наблюдалось различное поведение амплитуды и частоты.
С помощью математического моделирования исследователи смогли объяснить это разнообразие неравномерным распределением молекул внутри каждой капли, явлением, которое называется «шум разделения». Эта изменчивость является серьезной проблемой, а также возможностью для развития искусственных клеток.
Подобные эксперименты позволят ученым оптимизировать искусственные молекулярные устройства, чтобы на них минимально влиял шум разделения.