Bacteriën kunnen actief naar een voedingsbron gaan - een fenomeen dat bekend staat als chemotaxis - en ze kunnen collectief bewegen in een proces dat bekend staat als zwermen. Chinese wetenschappers hebben collectieve chemotaxis opnieuw ontworpen door kunstmatige model-nanozwemmers te maken van chemisch en biochemisch gemodificeerde gouden nanodeeltjes. Het model zou kunnen helpen bij het begrijpen van de dynamiek van chemotactische beweeglijkheid in een bacteriële zwerm, concludeert de studie gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Wat veroorzaakt zwermen, en of dergelijk collectief gedrag kan worden vertaald in kunstmatige intelligente systemen, is momenteel een onderwerp van intensief wetenschappelijk onderzoek. Het is bekend dat bacteriën die in een dicht pak zwemmen de omringende vloeistof anders voelen dan een enige zwemmer. Maar in welke mate worden zwemmers opgejaagd in een zwerm, en welke andere factoren een rol spelen, is nog onduidelijk. Colloïdaal chemicus Qiang He van het Harbin Institute of Technology, China, en zijn collega's, hebben nu een eenvoudig kunstmatig model van bacterieachtige nanozwemmers geconstrueerd. Ze observeerden actief chemotactisch gedrag en vorming van de zwemmers tot een duidelijk bewegende zwerm.

Hij en zijn collega's construeerden hun kunstmatige zwemmers uit kleine bolletjes goud. Met een maat die 40 keer kleiner is dan een gewone bacterie, de gouden nanodeeltjes waren onder de detectielimiet van de microscoop. Echter, dankzij een lichtverstrooiend fenomeen dat het Tyndall-effect wordt genoemd, de wetenschappers konden grotere veranderingen waarnemen in de oplossing met zwemmers, zelfs met het blote oog. Met behulp van andere analytische technieken, ze hebben ook de snelheid opgelost, oriëntatie, en concentratie van de deeltjes in fijner detail.

Wetenschappers werken graag met gouden nanodeeltjes omdat de kleine bolletjes een stabiele, oplossing verspreiden, worden gemakkelijk waargenomen met een elektronenmicroscoop, en moleculen kunnen er relatief gemakkelijk aan worden gehecht. Hij en zijn team vulden eerst het oppervlak van grote silicabollen met gouddeeltjes. Vervolgens bevestigden ze polymeerborstels aan de blootgestelde kant van de gouden bollen. Deze borstels zijn gemaakt van polymeerkettingen, en met een lengte tot 80 nanometer, ze maakten de gouddeeltjes zeer asymmetrisch.

De onderzoekers losten de silicadrager op en bonden een enzym vast aan de blootgestelde kant van de gouden bollen, zodat de resulterende nanodeeltjes aan de ene kant bedekt waren met lange en dikke polymeerborstels en aan de andere kant met het enzym. In aanwezigheid van zuurstof, het glucose-oxidase-enzym ontleedt glucose tot een verbinding die gluconzuur wordt genoemd.

Om te bepalen of de nanozwemmers actief in een bepaalde richting zouden zwemmen, de auteurs plaatsten ze aan het ene uiteinde van een klein kanaal en plaatsten een permanente glucosebron aan het andere uiteinde. Net als bij levende bacteriën, de modelzwemmers reisden actief langs de glucosegradiënt naar de glucosebron. Dit feit alleen was niet verrassend aangezien enzymatisch gedreven, zelfrijdende zwemmers zijn bekend uit experiment en theorie. Maar de auteurs konden ook zwermgedrag detecteren. De asymmetrische nanodeeltjes condenseerden tot een afzonderlijke fase die collectief langs de nutriëntengradiënt bewoog.

De auteurs stellen zich voor dat de nanozwemmers verder kunnen worden ontwikkeld als waardevolle en gemakkelijk toegankelijke fysieke modellen om het chemotactische en zwermgedrag van levende of niet-levende dingen op nanoschaal te bestuderen.