Synthetic paracrine signaling of colloids drives self-assembly limit cycles

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ नन्हे निर्माण खंड (building blocks) केवल स्थिर नहीं बैठते या बेतरतीब ढंग से आपस में नहीं जुड़ते, बल्कि वे कैसे हिलें और अपना आकार बदलें, यह तय करने के लिए आपस में "बात" भी करते हैं। यह सक्रिय पदार्थ (active matter) का रोमांचक क्षेत्र है, जो भौतिकी की एक शाखा है जो उन सामग्रियों का अध्ययन करती है जो अपनी गति और संगठन बनाने के लिए ऊर्जा का उपभोग करती हैं। आमतौर पर, जब चीजें आपस में जुड़ती हैं, तो ऐसा इसलिए होता है क्योंकि वे एक-दूसरे के प्रति आकर्षित होती हैं, जैसे चुंबक। लेकिन जीवित दुनिया में, चीजें अधिक गतिशील होती हैं: कोशिकाएं रासायनिक संदेश भेजती हैं ताकि अपने पड़ोसियों को बताया जा सके कि कब मजबूती से पकड़ बनानी है और कब छोड़ देना है। वैज्ञानिक लंबे समय से सोचते आए हैं कि क्या हम ऐसी कृत्रिम सामग्रियां बना सकते हैं जो इस जैविक "चैटर" (बातचीत) की नकल कर सकें ताकि ऐसी संरचनाएं बनाई जा सकेंं जो बिना किसी मानवीय बटन दबाए, अपने आप सांस लें, धड़कें और चक्र पूरा करें। बड़ा सवाल यह है: क्या हम निष्क्रिय कणों के एक ढेर को स्वतः ही एक लूप में नाचने के लिए प्रेरित कर सकते हैं, जो पूरी तरह से उनके अपने आंतरिक संकेतों द्वारा संचालित हो?

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने ठीक इसी परिदृश्य का एक कंप्यूटर मॉडल बनाया है, जिसमें नन्हे गोल कणों के लिए एक "डिजिटल खेल का मैदान" तैयार किया गया है जो सामाजिक तितलियों (social butterflies) की तरह व्यवहार करते हैं। उन्होंने एक ऐसी प्रणाली डिजाइन की जहाँ ये कण अदृश्य, विसरित (diffusing) संकेत उत्पन्न करते हैं—इन्हें रासायनिक टेक्स्ट मैसेज की तरह समझें—जो एक छोटी दूरी तक यात्रा करके अपने पड़ोसियों तक पहुँचते हैं। इन संदेशों का एक बहुत विशिष्ट कार्य है: वे कुछ विशिष्ट कणों के जोड़ों को आपस में जुड़ने (प्रोत्साहित करने) के लिए कहते हैं, जबकि अन्य जोड़ों को अलग होने (निरोधित करने) के लिए कहते हैं। परिणाम एक स्व-नियामक लूप है। कण एक विशिष्ट आकार में व्यवस्थित होते हैं, लेकिन उस आकार में होने की क्रिया ही ऐसे संकेत जारी करने को ट्रिगर करती है जो अंततः उस आकार को तोड़ देते हैं और उसे एक दूसरे आकार में फिर से बनाने के लिए प्रेरित करते हैं। यह चक्र अनंत रूप से दोहराता रहता है, जिससे एक "लिमिट साइकिल" (limit cycle) बनता है जहाँ सामग्री स्वायत्त रूप से विभिन्न विन्यासों (configurations) के माध्यम से चक्रित होती है, बिल्कुल एक जीवित जीव के सांस लेने और छोड़ने की तरह।

टीम ने, जिसका नेतृत्व टिम ई. वीनेस्ट्रा और सहयोगियों ने किया, चार अलग-अलग प्रकार के कणों (टाइप 1, 2, 3 और 4 लेबल किए गए) के मिश्रण का अनुकरण (simulate) किया जो एक सपाट, द्वि-आयामी दुनिया में काम करते हैं। उन्होंने कणों को नियमों का एक सेट प्रोग्राम किया: यदि आप एक "टाइप 1" कण हैं, तो आप एक ऐसा संदेश भेजते हैं जो "टाइप 2" और "टाइप 3" को आपस में जुड़ने में मदद करता है, लेकिन आप एक ऐसा संदेश भेजते हैं जो "टाइप 4" और "टाइप 1" को दूर धकेलता है। यह एक श्रृंखला अभिक्रिया (chain reaction) बनाता है। 1s और 2s का एक समूह बनता है, लेकिन उनके द्वारा उत्सर्जित संकेत अंततः उनके अपने बंधन को कमजोर कर देते हैं और 2s और 3s के बीच के बंधन को मजबूत कर देते हैं। वह क्लस्टर एक 2-3 जोड़े में बदल जाता है, जो फिर एक 3-4 जोड़े में बदल जाता है, फिर एक 4-1 जोड़े में, और अंततः वापस 1-2 में। यह आकारों की एक आदर्श, अनंत रिले रेस है।

यह खोज क्या विशेष बनाती है, यह इस बात से है कि चक्र कैसे चलता रहता है। सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि कण बहुत धीरे संकेत उत्पन्न करते हैं या यदि संकेत बहुत जल्दी गायब हो जाते हैं, तो नृत्य रुक जाता है, और कण या तो एक अव्यवस्थित गैस में पिघल जाते हैं या एक बिखरे हुए, स्थिर ढेर में सिमट जाते हैं। हालाँकि, संकेत उत्पादन और क्षरण दरों के एक "गोल्डिलॉक्स ज़ोन" (Goldilocks zone - एकदम सही स्थिति) में, प्रणाली एक मजबूत लय पा लेती है। कण केवल यादृच्छिक रूप से नहीं चलते; वे तालमेल बिठाते हैं। भले ही प्रत्येक क्लस्टर अलग समय पर शुरू होता है, वे अंततः एक ही लय में आ जाते हैं, जिससे कुछ समूह पूर्ण तालमेल में चलते हैं और अन्य विपरीत चरणों में चलते हैं, जिससे पूरे सिस्टम में संयोजन और विखंडन की एक सुंदर, समन्वित लहर पैदा होती है।

महत्वपूर्ण रूप से, यह शोध पत्र दिखाता है कि यह जटिल, जीवन जैसी व्यवहार सरल नियमों से उत्पन्न होती है। कणों के पास कोई "मस्तिष्क" या पूर्व-निर्धारित टाइमर नहीं होता है। इसके बजाय, चक्र की दिशा उनके बीच हुई अंतःक्रियाओं के इतिहास से आती है। कणों का एक जोड़ा इसलिए जुड़ता है क्योंकि उन्हें अपने पड़ोसियों से प्राप्त संकेतों से मदद मिली थी। जैसे-जैसे वे संकेत फीके पड़ते हैं और नए संकेत आते हैं, नियम बदल जाते हैं, जो सिस्टम को आगे धकेलते हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह जादू नहीं है; यह एक भौतिक प्रक्रिया है जो "पैराक्राइन सिग्नलिंग" (paracrine signaling) द्वारा संचालित होती है, जो जीव विज्ञान से लिया गया एक शब्द है जहाँ कोशिकाएं स्थानीय रूप से संवाद करती हैं। एक सिम्युलेटेड वातावरण में इस तंत्र के काम करने को सिद्ध करके, यह अध्ययन "स्मार्ट" सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है जो स्व-मरम्मत कर सकें, स्व-प्रतिकृति बना सकें, या लयबद्ध, स्वायत्त तरीके से कार्य कर सकें, जो हमें ऐसी कृत्रिम सामग्रियों के करीब लाता है जो वास्तव में जीवित चीजों की तरह व्यवहार करती हैं।