Институт Вейцмана представил программируемые искусственные активные материалы

Ученые из Научного института Вейцмана разработали два новых типа искусственных активных материалов, открыв принципиально новые возможности в области материаловедения и биофизики. Результаты исследований, опубликованные в авторитетных научных журналах Nature Materials и Nature Physics, закладывают фундамент для создания мягких роботов, адресных медицинских препаратов и интеллектуальных материалов нового поколения.

Активные материалы представляют собой системы, компоненты которых функционируют как микроскопические двигатели, потребляющие химическую энергию и преобразующие ее в механическую работу. В то время как свойства классических материалов задаются внешними условиями, активные материалы формируют свои характеристики самостоятельно за счет сжигания химического «топлива». До сих пор возможности управления такими структурами ограничивались изменением их первоначального состава. Однако исследователи под руководством д-ра Александры Тайер из Отдела химической и биологической физики внедрили в активные материалы системы экспрессии генов.

В исследовании, опубликованном в Nature Materials и проведенном докторантом Рошель Сильверман и д-ром Эрезом Зарбивом, ученые интегрировали ДНК и систему генной экспрессии в сеть микротрубочек. Регулируя концентрацию генов, исследователи смогли программно задавать время начала движения материалов, скорость их реакции и механические переходы. Созданная теоретическая модель помогла описать механизмы трансформации генетического кода в структурные изменения материала.

Во второй работе, опубликованной в журнале Nature Physics под руководством докторантов Майи Лебанон и Нои Гольдберг, изучалось влияние длинных цепей ДНК на поведение активной среды. Переплетаясь в трехмерную сеть, молекулы ДНК вызывали ритмичные колебания в материале. Совместно с проф. Эраном Бухбиндером и исследователями из Техниона ученые разработали теоретическую модель, показавшую, что размер этих колебаний определяется исключительно границами контейнера, а скорость зависит от концентрации моторных белков.

Полученные результаты предоставляют инженерам-материаловедам широкий набор механических и генетических инструментов. В перспективе это позволит создавать адаптивных мягких роботов и высокоэффективные системы доставки лекарственных средств к пораженным клеткам.