Synthetic paracrine signaling of colloids drives self-assembly limit cycles

작은 건축 블록들이 단순히 가만히 있거나 무작위로 달라붙는 것이 아니라, 어떻게 움직이고 형태를 바꿀지 결정하기 위해 서로 "대화"하는 세상을 상상해 보십시오. 이것은 에너지를 소비하여 스스로 움직임과 조직화를 만들어내는 물질을 연구하는 물리학의 한 분야인 **능동 물질(active matter)**의 흥심진 최전선입니다. 보통 사물들이 서로 달라붙는 이유는 자석처럼 서로에게 끌리기 때문입니다. 하지만 생명 세계에서 사물들은 더 역동적입니다: 세포들은 이웃에게 언제 꽉 붙잡고 언제 놓아줄지를 알려주는 화학적 메시지를 보냅니다. 과학자들은 오랫동안 인간이 버튼을 누르지 않아도 스스로 숨 쉬고, 맥동하고, 순환하는 구조체를 만들기 위해 이러한 생물학적 "수다"를 모방한 합성 재료를 만들 수 있을지 궁금해해 왔습니다. 큰 질문은 이것입니다: 우리가 단순히 내부 신호에 의해서만 구동되어, 스스로 루프 속에서 춤을 추기 시작하는 무기력한 입자 더미를 만들 수 있을까요?

새로운 연구에서 연구진은 정확히 이 시나리오를 구현한 컴퓨터 모델을 구축하여, 사회성이 뛰어난 나비처럼 행동하는 작은 둥근 입자들을 위한 "디지털 놀이터"를 만들었습니다. 그들은 이 입자들이 눈에 보이지 않고 확산되는 신호—생각해 보면 화학적 문자 메시지와 같은 것—를 생성하여 근처의 이웃에게 전달하는 시스템을 설계했습니다. 이 메시지들은 매우 구lle적인 임무를 가집니다. 특정 입자 쌍이 서로 달라붙도록 촉진(promote)하는 동시에, 다른 입자 쌍은 서로 떨어지도록 억제(inhibit)하는 것입니다. 그 결과는 자기 조절 루프입니다. 입자들은 특정한 형태를 형성하지만, 그 형태 안에 존재한다는 사실 자체가 신호의 방출을 유발하며, 이 신호는 결국 그 형태를 해체하고 다른 형태로 다시 재구성하게 만듭니다. 이 사이클은 끊임없이 반복되며, 물질이 마치 살아있는 유기체가 숨을 들이마시고 내뱉는 것처럼 다양한 구성 상태를 자율적으로 순환하게 되는 "리미트 사이클(limit cycle)"을 만들어냅니다.

Tim E. Veenestra와 동료들이 이끄는 팀은 네 가지 다른 유형의 입자(1, 2, 3, 4로 표시됨)가 섞인 혼합물을 평면적인 2차원 세계에서 시뮬레이션했습니다. 그들은 입자들에게 일련의 규칙을 프로그래밍했습니다: 만약 당신이 "유형 1" 입자라면, 당신은 "유형 2"와 "유형 3"이 서로 달라붙도록 돕는 메시지를 보내지만, "유형 4"와 "유형 1"은 서로 떨어지도록 밀어내는 메시지를 보냅니다. 이것은 연쇄 반응을 일으킵니다. 1과 2의 클러스터가 형성되지만, 그들이 방출하는 신호는 결국 그들 자신의 결합을 약화시키고 2와 3 사이의 결합을 강화합니다. 클러스터는 2-3 쌍으로 변하고, 그다음 3-4 쌍으로, 그다음 4-1 쌍으로, 마지막으로 다시 1-2로 변합니다. 그것은 완벽하고 끝없는 형태의 릴레이 경주입니다.

이 발견이 특별한 이유는 사이클이 계속 움직이는 방식에 있습니다. 시뮬레이션에서 연구진은 만약 입자들이 신호를 너무 느리게 생성하거나 신호가 너무 빨리 사라지면, 춤이 멈추고 입자들이 무질서한 가스로 녹아내리거나 지저분하고 정적인 덩어리로 뭉쳐버린다는 것을 발견했습니다. 그러나 신호 생성 및 분해율이 "골디락스(Goldilocks)" 영역(적절한 지점)에 있을 때, 시스템은 견고한 리듬을 찾아냅니다. 입자들은 단순히 무작위로 움직이는 것이 아니라, 서로 동기화됩니다. 각 클러스터가 서로 다른 시간에 시작하더라도, 결국 발을 맞추게 되어 어떤 그룹은 완벽하게 일치된 동작으로 움직이고, 다른 그룹은 반대 위상으로 움직이며, 전체 시스템에 걸쳐 조립과 해체의 아름답고 조율된 파동을 만들어냅니다.

결정적으로, 이 논문은 이러한 복잡하고 생명체 같은 행동이 단순한 규칙으로부터 발생한다는 것을 보여줍니다. 입자 자체에는 "두뇌"나 미리 프로그래밍된 타이머가 없습니다. 대신, 사이클의 방향은 그들의 상호작용의 역사로부터 옵니다. 입자 쌍이 서로 달라붙는 이유는 과거에 이웃들로부터 받은 신호 때문입니다. 그 신호들이 사라지고 새로운 신호가 도착함에 따라 규칙이 변하며 시스템을 앞으로 밀어붙입니다. 연구진은 이것이 마법이 아니라고 강조합니다. 이것은 세포가 국소적으로 소통하는 생물학에서 빌려온 용어인 "파라크라인 신호 전달(paracrine signaling)"에 의해 구동되는 물리적 과정입니다. 시뮬레이션된 환경에서 이 메커니즘이 작동함을 증명함으로써, 이 연구는 스스로 수리하고, 스스로 복제하며, 리드미컬하고 자율적인 방식으로 과업을 수행할 수 있는 "스마트" 재료를 설계하는 새로운 길을 제시하며, 우리가 합성 재료가 진정으로 살아있는 것들처럼 행동하게 만드는 단계에 한 걸음 더 다가가게 합니다.