Po linii najmniejszego oporu

Natura działa zazwyczaj tak, by jak najwięcej osiągnąć jak najmniejszym wysiłkiem. Entropia Wszechświata może i rośnie, ale to nie znaczy, że od razu cały świat ma się zacząć zachowywać, jakby mógł rozdawać energię na prawo i lewo. Dlatego prąd zawsze płynie po linii najmniejszego oporu. Kamień tocząc się w dół zbocza toczy się drogą najprostszą. Woda w sieci kanałów zawsze popłynie drogą najkrótszą. Wszystko to w duchu optymalizacji – znakomitym przykładem byłby tu opisany przeze mnie nie tak dawno przypadek wykorzystania śluzowca Physarum polycephalum do sprawdzenia, jak optymalnie zaprojektować połączenia pomiędzy kilkonastoma miejskimi hubami.

Kolejną odmianę tego prawidła postanowili wykorzystać badacze z Northwestern University w stanie Illinois, pod wodzą Bartosza Grzybowskiego (absolwenta, notabene, grupy George’a Whitesidesa). Grupa Grzybowskiego zaprojektowała chip mikrocieczowy ze strukturą kanałów w formie labiryntu. Następnie udało im się przez ten labirynt przeprowadzić kroplę odczynnika na zasadzie chemotaksji…

Chemotaksja to zjawisko spotykane zazwyczaj u organizmów żywych. Bardzo rzadko – o ile w ogóle – odnosi się tę nazwę do fenomenu nie dotyczącego materii ożywionej. W przypadku komórek chemotaksja polega na reagowaniu na bodźce chemiczne, wskutek których komórka albo przemieszcza się w kierunku źródła bodźca albo też jest od niego odpychana, w zależności od tego, czy substancja jest atraktantem czy też repelentem.

Grupa Grzybowskiego zaprojektowała chip (wyprodukowany metodami miękkiej litografii w elastycznym polimerze – PDMSie), w którym kanały tworzyły labirynt posiadające jedynie dwa wejścia. Kanaliki wypełnione były roztworem wodorotlenku potasu z dodatkiem surfaktanta, aby zmniejszyć nieco napięcie powierzchniowe. Następnie przy wejściu do labiryntu umieszczono kawałek żelu agarozowego nasączonego roztworem kwasu solnego.

Tu następuje najważniejsza część eksperymentu – pozostawienie nauki samej sobie. Kwas rozprzestrzenia się z żelu do wnętrza labiryntu i miesza z roztworem KOH tworząc gradient pH w obrębie kanałów. Jednak – zgodnie z prawidłami poszukiwania dróg najmniejszego oporu – gradient tworzy się zazwyczaj na najkrótszej drodze między wejściem, a wyjściem z labiryntu. Po inkubacji przez kilkadziesiąt sekund (ach, te cuda mikrochipów, wszystko dzieje się tak szybko!) przy „zasadowym” wejściu do labiryntu umieszczono kropelkę substancji niemieszającej się z wodą (prób było kilka, m.in. z olejem mineralnym oraz dichlorometanem), zawierającej także odrobinę innego kwasu (2-heksylodekanowego) oraz barwnika. Kropla ta przemieszczała się samodzielnie w kierunku wejścia, przy którym znajdował się żel z kwasem!

Na obrazku po lewej kropla z barwnikiem od razu znalazła najprostszą ścieżkę do wyjścia z labiryntu. Na obrazku z prawej dwukrotnie "pobłądziła" ostatecznie jednak znajdując właściwą drogę. / Przedruk za zgodę ACS: JACS 132(4): 1198–9 ©2010
Na obrazku po lewej kropla z barwnikiem od razu znalazła najprostszą ścieżkę do wyjścia z labiryntu. Na obrazku z prawej dwukrotnie "pobłądziła" ostatecznie jednak znajdując właściwą drogę. / Przedruk za zgodę ACS: JACS 132(4): 1198–9 ©2010

Grzybowski et al. podają ciekawe wytłumaczenie tego zjawiska. Zncznie bardziej intrygujące jest jednak potencjalne zastosowanie tego fenomenu w medycynie. Ponieważ komórki rakowe są bardziej kwaśne niż komórki zdrowe, ta tendencja do poszukiwania źródła kwasowości (kwaśności?) może być wykorzystana do projektowania nowych, lepszych leków przeciwnowotworowych, które będą specyficznie atakować komórki chore. Na razie jednak koncept ten pozostaje w sferze gdybań i marzeń, ale być  może kiedyś rzeczywiście uda się go zastosować w tym właśnie celu.

„Maze Solving by Chemotactic Droplets”, Istvn Lagzi, Siowling Soh, Paul J. Wesson, Kevin P. Browne and Bartosz A. Grzybowski, JACS 132(4): 1198-9; DOI: 10.1021/ja9076793 (11 Jan 2010)

1 Comment

  1. Po pierwsze – Polak potrafi! A tak na poważnie to generalnie świetne badania – w wolnej chwili chyba poczytam więcej, czym się zajmuje ta grupa…
    PS. Gdybyś zechciał podesłać mi ten artykuł na maila byłbym wdzięczny.

    Lubię

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s