Een kenmerk van sciencefictionverhalen voor decennia, Het potentieel van nanorobots varieert van kankerdiagnose en medicijnafgifte tot weefselherstel en meer. Een grote hindernis voor deze inspanningen, echter, is een manier aan het vinden om op een goedkope manier een aandrijfsysteem voor deze apparaten te maken. Nieuwe ontwikkelingen kunnen nanozwemmers nu van sciencefiction naar realiteit stuwen dankzij onverwachte hulp van bacteriën.

Een internationaal onderzoeksteam heeft een nieuwe techniek gedemonstreerd voor het plateren van silica op flagella, de helixvormige staarten die op veel bacteriën worden aangetroffen, om zwemrobots op nanoschaal te produceren. Zoals gemeld deze week in APL-materialen , de biotemplate nanozwemmers van de groep spinnen hun flagella dankzij roterende magnetische velden en kunnen bijna net zo goed presteren als levende bacteriën.

"We hebben voor het eerst het vermogen aangetoond om bacteriële flagella te gebruiken als sjabloon voor het bouwen van anorganische helices, " zei Min Jun Kim, een van de auteurs van het artikel. "Dit is een behoorlijk transformerend idee en zal een grote impact hebben op niet alleen de geneeskunde, maar ook op andere gebieden."

Vergeleken met grotere vormen van waterbeweging, nanozwemmen hangt af van een begrip van het Reynoldsgetal, de dimensieloze grootheden die betrekking hebben op vloeistofsnelheid, viscositeit en de grootte van objecten in de vloeistof. Met een Reynoldsgetal van een miljoenste van ons, bacteriën moeten een niet-reciproke beweging gebruiken in de bijna afwezigheid van traagheidskrachten. Met behulp van spiraalvormige staarten gemaakt van een eiwit genaamd flagelline, veel soorten bacteriën navigeren relatief gemakkelijk door deze microscopische omstandigheden.

"Als we zouden worden verkleind tot de grootte van een bacterie, we zouden de schoolslag niet kunnen gebruiken om door water te bewegen, ' zei Kim. 'Als bacteriën zo groot waren als wij, ze konden 100 meter zwemmen in ongeveer twee seconden."

Andere recent ontwikkelde methoden voor het construeren van deze spiraalvormige structuren maken gebruik van gecompliceerde top-down benaderingen, inclusief technieken waarbij zelf-scrollende nanobelts of lasers betrokken zijn. Het gebruik van deze gespecialiseerde apparatuur kan leiden tot zeer hoge opstartkosten voor het bouwen van nanorobots.

In plaats daarvan, Het team van Kim gebruikte een bottom-upbenadering, eerst een stam van Salmonella typhimurium kweken en de flagella verwijderen. Vervolgens gebruikten ze alkalische oplossingen om de flagella in de gewenste vorm en toonhoogte te fixeren, op welk punt ze de eiwitten met silica bedekten. Daarna, nikkel werd afgezet op de silicatemplates, waardoor ze kunnen worden gecontroleerd door magnetische velden.

"Een uitdaging was om ervoor te zorgen dat we helices hadden met dezelfde chiraliteit. Als je een linkshandige helix en een rechtshandige helix op dezelfde manier draait, ze gaan in verschillende richtingen, ' zei Kim.

Het team nam hun nanorobots voor een spin. Bij blootstelling aan een magnetisch veld, de nanorobots hielden gelijke tred met hun bacteriële tegenhangers en zouden naar verwachting 22 micrometer kunnen bestrijken, meer dan vier keer hun lengte, in een seconde. Naast dit, het team was in staat om de nanozwemmers in achtbanen te sturen.

Terwijl Kim zei dat hij potentieel ziet voor niet-geleidende helices op nanoschaal op het gebied van gerichte kankertherapieën, hij voegde eraan toe dat met het werk van zijn team, men zou geleidende materialen op flagella kunnen aanbrengen en spiraalvormige materialen voor elektronica en fotonica kunnen produceren.