Het is een langdurige uitdaging om biologische systemen te kunnen controleren om specifieke taken uit te voeren. In een paper gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers van het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, in samenwerking met groepen in de VS en het VK, hebben nu gemeld precies dat te doen. Ze hebben een manier gevonden om bacteriën te bestrijden om microscopisch kleine vracht te vervoeren. Bacteriën vormen de grootste biomassa ter wereld, groter dan alle dieren en planten samen, en ze zijn constant in beweging, maar hun beweging is chaotisch. De onderzoekers volgden het idee dat als deze beweging kon worden gecontroleerd, ze zouden het misschien kunnen ontwikkelen tot een biologisch hulpmiddel. Ze gebruikten een vloeibaar kristal om de richting van de bacteriële beweging te dicteren, en een microscopisch kleine lading toegevoegd voor de bacteriën om te dragen, meer dan vijf keer de grootte van de bacteriën.

Spoorwegbouw op bacterieschaal

Universitair docent Amin Doostmohammadi van het Niels Bohr Instituut legt uit dat in het verleden, er zijn pogingen geweest om het gedrag van bacteriën te beheersen. Maar hij en zijn collega's kozen voor een nieuwe benadering:"We dachten bij onszelf, Zullen we een spoor voor de bacteriën maken? De manier waarop we dat experimenteel doen, is door de bacteriën in een vloeibaar kristal te plaatsen. De truc is dat een vloeibaar kristal niet is zoals een kristal, het is ook geen vloeistof, het zit ergens tussenin. Elk molecuul in het kristal heeft een oriëntatie, maar heeft geen positionele volgorde. Dit betekent dat de moleculen kunnen stromen als een vloeistof, maar ze kunnen tegelijkertijd ook als een kristal worden uitgelijnd. Dit is precies de fysica die ten grondslag ligt aan liquid crystal displays (LCD's) voor televisies, monitoren en mobiele telefoons We kunnen het onderliggende vloeibare kristal zodanig voorbereiden dat het een goed gedefinieerd patroon aanneemt. En de bacteriën zullen zich in dezelfde richting oriënteren. Het beperkt de bacteriële beweging niet, het oriënteert ze gewoon in de richting waarin we ze willen hebben."

Patroonontwerp en modelbouw

Sterke stralen bacteriën die in een bepaalde richting bewegen zonder fluctuaties is het geweldige resultaat van het experiment, volgens Amin Doostmohammadi. Wat er gewoonlijk gebeurt als de stralen van bacteriën sterk genoeg zijn om nuttig te zijn, de concentratie bacteriën moet hoog zijn, en instabiliteiten beginnen meestal te verschijnen. De jet wordt onstabiel en chaotisch. Maar in het vloeibare kristalpatroon, de instabiliteiten kunnen grotendeels worden onderdrukt en voorkomen dat de bacteriële jets chaotisch worden. Het patroon bepaalt de richting. Dit betekent dat het mogelijk is om bacteriënstralen te creëren die sterk genoeg zijn om slierten microscopisch kleine lading te vervoeren, elk stuk vracht vijf keer zo groot als de bacteriën zelf.

Een groeiend wetenschappelijk veld

In de afgelopen 10 jaar is het wetenschappelijke veld uitgebreid. momenteel, het is mogelijk om bacteriën in vrij grote mate te beheersen en de zogenaamde "actieve materie" - de bacteriën, kan worden gemaakt om verschillende patronen te draaien of te vormen. Nutsvoorzieningen, met deze aanpak, Bacteriële jets kunnen in de ruimte worden gestabiliseerd, zodat ze zelfs microscopisch kleine lading kunnen vervoeren.

"We zijn nog op een experimenteel niveau, en er is nog geen aangewezen toepassingsgebied voor deze techniek. Momenteel, de belangrijkste drijfveer zijn medische toepassingen. Maar echt, als we erover nadenken, we hebben het eigenlijk over een geheel nieuw soort materiaal. We kennen het vloeibare kristal van vroeger, maar nu hebben we te maken met een levend vloeibaar kristal, Amin Doostmohammadi zegt. "Je kunt je met dit onderzoek allerlei materiaalwetenschappelijke mogelijkheden voorstellen. Misschien kan het ook voor andere systemen gelden, tot cellulair gedrag of spermagedrag enzovoort. Als theoretisch natuurkundige Ik denk na over de fundamentele implicaties in termen van de wetenschap, maar dit vermogen van de medicijnafgifte door bacteriën, dit is iets nieuws. Een ding dat het vermelden waard is, is dat wanneer u een medicijn op deze manier aflevert, je hebt geen externe kracht nodig. De bacteriën doen het zelf. Het is als een vloeistof die zichzelf pompt. Het is een zelfpompende vloeistof, bij wijze van spreken."

Theorie en experiment zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden

De resultaten zijn verkregen in samenwerking met andere onderzoeksgroepen. Twee medewerkers in de VS, Oleg Lavrentovich van Kent State University en Igor Aranson van Penn State University – startten deze onderzoekstak in 2014. Nu werkten ze samen met Amin Doostmohammadi aan het Niels Bohr Institute en Julia Yeomans aan de Universiteit van Oxford, experimenten en theorie zijn samengekomen om sterke bacteriële jets te ontwerpen en te beheersen. "Misschien hebben we een theoretisch idee, maar het is de koppeling van theorie en experiment die daadwerkelijk tot deze veelbelovende resultaten leidt, ' zegt Amin Doostmohammadi.