Wetenschappers van de New York University (NYU) hebben microscopische oliedruppels in water iets laten doen wat normaal is voorbehouden aan levende cellen: op complexe en stuurbare wijze van vorm veranderen en zelfs hun omgeving opslokken. Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Communications, kunnen enkele van de meest kenmerkende gedragingen van het leven ontstaan uit louter natuurkunde en scheikunde — zonder genen, eiwitten of actieve cellulaire machinerie. Voor het effect volstaat een combinatie van olie, water en zeepachtige moleculen.
- Oliedruppels in water veranderden spontaan in bloemachtige, schijf-, halter- en kelkvormen.
- De vormveranderingen zijn omkeerbaar door de concentratie zeepmolecuul of de temperatuur aan te passen.
- Onder de juiste omstandigheden vouwt een druppel zich naar binnen en sluit hij zijn omgeving in.
Levensechte vormen ontstaan zonder cellulaire machinerie
Een van de bepalende eigenschappen van het leven is morfogenese: het vermogen van cellen en weefsels om zichzelf te herstructureren, compartimenten te vormen en materiaal uit hun omgeving op te nemen. Normaal gesproken steunen die transformaties op een verfijnd moleculair gereedschap. De vraag van de onderzoekers was of dit gedrag ook in synthetische deeltjes na te bootsen viel — en het antwoord bleek ja.
“Wat ons verraste, is dat je die cellulaire machinerie niet nodig hebt om dezelfde soorten gedrag te krijgen”, zegt Stefano Sacanna, hoogleraar scheikunde aan NYU en mede-hoofdauteur van de studie.
Het team combineerde microscopische oliedruppels die in water zweven met een zeepachtig molecuul, een zogeheten P123-blokcopolymeer. Zodra dat molecuul werd toegevoegd aan bolvormige oliedruppels, veranderden die spontaan in uiteenlopende vormen: bloemachtige structuren, vertakte, dendritische vormen (vergelijkbaar met dendritische immuuncellen), halters, schijven en kelken.
De vormverandering laat zich terugdraaien
Anders dan bij cellen in vrijwel alle levende organismen is het proces omkeerbaar. Door de concentratie van het zeepmolecuul aan te passen of het staal simpelweg te verwarmen en af te koelen, konden de onderzoekers de druppels van de ene vorm naar de andere sturen en weer terug.
Bovendien bleken de druppels hun omgeving te kunnen opslokken. Onder de juiste omstandigheden vouwt een druppel zich naar binnen, wikkelt zich rond de omringende vloeistof en sluit wat er in de buurt zweeft op in zichzelf.
“Dit slokgedrag lijkt sterk op een cellulair proces dat macropinocytose heet, soms omschreven als ‘celdrinken’, waarbij een cel een deel van haar omgeving naar binnen slokt. Onze druppels doen dit vanzelf, zonder enig biologisch onderdeel”, zegt Florent Fessler, postdoctoraal onderzoeker aan NYU en eerste auteur van de studie.
Een eenvoudiger model om celgedrag te bestuderen
De onderzoekers benadrukken dat ze geen celbiochemie reproduceren en al helemaal geen kunstmatig leven creëren. Wat hun ontdekking wél oplevert, is een modelsysteem om te bestuderen hoe cellen hun structuren vormen en herstructureren. Dat is belangrijk omdat zulke veranderingen in levende cellen lastig te isoleren zijn.
“Deze veranderingen zijn moeilijk te isoleren in levende cellen, dus biedt een modelsysteem een eenvoudiger, beter gecontroleerd platform om de fysische principes achter cellulair gedrag te bestuderen”, aldus Paul Chaikin, Silver Professor natuurkunde aan NYU en eveneens mede-hoofdauteur.
Voor een breder publiek betekent dit dat fundamentele processen van het leven mogelijk beter te begrijpen zijn via een sterk vereenvoudigd systeem dat volledig met natuurkundige en scheikundige knoppen valt te bedienen. Dat kan onderzoek versnellen naar hoe cellen hun vorm bepalen, zonder dat men de volledige complexiteit van levend weefsel hoeft te ontwarren.
Wat de vondst kan betekenen voor slimme materialen
De bevindingen bieden volgens de onderzoekers ook perspectief voor de ontwikkeling van slimme, adaptieve materialen die van vorm veranderen als reactie op hun omgeving of op verzoek lading kunnen opvangen. Concreet zou dat, als de techniek verder wordt ontwikkeld, kunnen leiden tot minuscule capsules die kwetsbare inhoud beschermen.
“Onder de juiste omstandigheden kunnen deze druppels zich herstructureren en opslokken wat er rondom zit, waarbij ze een beschermend capsule of omhulsel vormen. Zo’n minuscule container zou kostbare lading kunnen beschermen — en omdat deze vormverandering niet-specifiek en behoorlijk veelzijdig is, kan ze veel mogelijke toepassingen hebben”, zegt Sacanna.
Vind je het fascinerend dat ‘levensecht’ gedrag kan ontstaan uit niets meer dan olie, water en zeep? Deel hieronder je gedachten over waar zulke zelf-vormende druppels ooit nuttig zouden kunnen zijn.
