(Phys.org) — Wanneer onderzoekers een druppel vloeistof met duizenden vrijzwemmende genetisch gemodificeerd E coli op een reeks micromotoren, binnen enkele minuten beginnen de micromotoren te draaien. Sommige van de individuele bacteriën zijn met het hoofd naar voren gezwommen in een van de 15 microkamers die op de buitenrand van elke micromotor zijn geëtst, en met hun flagellen die buiten de microkamers uitsteken, samen zorgen de zwembacteriën ervoor dat de micromotoren draaien, enigszins vergelijkbaar met hoe een stromende rivier een watermolen draait.

De onderzoekers, onder leiding van Roberto Di Leonardo, hoogleraar natuurkunde aan de Sapienza Università di Roma en aan NANOTEC-CNR, zowel in Rome, hebben een artikel gepubliceerd over de door bacteriën aangedreven micromotoren in een recent nummer van: Natuurcommunicatie .

"Ons ontwerp combineert een hoge rotatiesnelheid met een enorme vermindering van fluctuatie in vergelijking met eerdere pogingen op basis van wildtype bacteriën en platte structuren, " zei Di Leonardo. "We kunnen grote reeksen onafhankelijk bestuurde rotoren produceren die licht gebruiken als de ultieme energiebron. Deze apparaten zouden ooit kunnen dienen als goedkope en wegwerpbare actuatoren in microrobots voor het verzamelen en sorteren van individuele cellen in geminiaturiseerde biomedische laboratoria."

Een vloeistof zoals hier gebruikt, die grote hoeveelheden zwembacteriën bevat, wordt een "actieve vloeistof" genoemd vanwege de mechanische energie die het bevat. Om actieve vloeistoffen te kunnen gebruiken als brandstof voor de aandrijving van micromachines, de ongeordende beweging van de bacteriën moet worden gecontroleerd, zodat alle (of de meeste) bacteriën in dezelfde richting bewegen.

Dit is in wezen wat de micromotoren doen. De microkamers langs de randen van elke micromotor zijn gekanteld in een hoek van 45°, die het totale koppel maximaliseert waarmee de bacteriën de motoren kunnen laten draaien. In hun ontwerp, de onderzoekers bouwden ook een radiale helling met strategisch geplaatste barrières die de zwemmende bacteriën naar de microkamers leiden. Bij experimenten, de onderzoekers ontdekten dat de rotatiesnelheid van een micromotor lineair toeneemt met het aantal gevangen bacteriën, en ze konden gemakkelijk rotatiesnelheden van 20 omwentelingen per minuut halen.

Een andere belangrijke vereiste voor een door bacteriën aangedreven micromotor is het vermogen om de beweging van de micromotor te regelen. Om dit te doen, de onderzoekers genetisch gemodificeerde de E coli inspanning om een ​​door licht aangedreven protonpomp genaamd proteorhodopsine tot expressie te brengen die fotonenergie gebruikt om protonen tegen de elektrochemische gradiënt in te pompen, waardoor de zwemsnelheden van de bacteriën toenemen. Door de door bacteriën aangedreven micromotoren met verschillende lichtintensiteiten te verlichten, de onderzoekers konden dan de snelheid van de micromotoren regelen.

Om deze systemen in praktische toepassingen te kunnen gebruiken, het is ook belangrijk dat alle micromotoren in een array gemiddelde snelheden hebben die uniform zijn en weinig fluctueren. Met behulp van een feedbackalgoritme dat het systeem elke 10 seconden gelijkmatig verlicht, de onderzoekers toonden aan dat de micromotoren effectief kunnen worden gesynchroniseerd met zeer weinig variatie in snelheid. Met behulp van deze lichtregelmethode, de onderzoekers konden een set micromotoren tegelijk met een bepaalde snelheid draaien.

De door bacteriën aangedreven micromotoren hebben potentiële medische toepassingen, zoals de levering van medicijnen en vracht, die de onderzoekers in de toekomst willen onderzoeken.

© 2017 Fys.org