Synthetic Neurons and Artificial Photoactivated Synapses

Opis projektu

Sztuczne neurony

Neurony komunikują się ze sobą za pośrednictwem struktur zwanych synapsami, w których sygnały elektryczne i chemiczne są przekazywane w regulowany sposób. Lepsze zrozumienie zachodzących procesów komunikacyjnych może doprowadzić do powstania zaawansowanych chemicznych urządzeń obliczeniowych. Finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projekt SYNAPS ma na celu opracowanie sztucznych synaps naśladujących naturalne neurony. Pomysł polega na wykorzystaniu liposomów jako sztucznych komórek i światła jako zewnętrznego bodźca do syntezy i przekazywania związków przekaźnikowych. Naukowcy będą naśladować synapsy, umieszczając takie sztuczne komórki w określonych strukturach biomolekularnych, które ułatwiają komunikację. Oczekuje się, że konfiguracja opracowana przez zespół projektu SYNAPS znajdzie zastosowanie w dziedzinie energetyki, a także w wykrywaniu chemicznym i inteligentnym dostarczaniu leków.

Cel

The brain is a complex network of inter-connected neurons that communicate through synapses. SYNAPS aims to for the first time mimic such synapses using liposomes as artificial cells, and visible light to trigger a signal from a ‘sender’- to a ‘receiver’-liposome. Mimicking such communication processes will help with understanding how complex natural emergent properties arise, and could ultimately allow for the construction of a chemical computer. SYNAPS will excel beyond the state-of-the-art by maintaining chemical isolation between liposome interiors, ensuring local, time-bound communication between connected liposomes, and using light as an external stimulus and fuel. These concepts are essential to construct artificial tissues that can communicate on an individual liposome-to-liposome basis, in contrast to the state-of-the-art where communication generally occurs with the bulk solution. To achieve this, a messenger compound will be locally photosynthesised through transmembrane electron transfer by porphyrin dimers that portray a charge-transfer excited state. The liposomes will be organised into a synaptic cleft through the use of synthetic complementary clustering compounds that provide stable adhesion between sender and receiver liposomes. The messenger compound will be recognised by reversible and selective membrane-spanning receptors in the receiver liposome, that will output the signal through fluorescence. In addition, a reaction cascade network will be constructed involving the messenger to produce an artificial action potential, that is, a transient peak in the concentration of the messenger, ensuring a time-bound dissipative signal. Altogether, SYNAPS will provide advances in systems chemistry by providing a nanoscale platform for communication between chemically isolated systems, but also results that are useful for applications such as light-to-chemical energy conversion, chemical sensing and smart drug-delivery.