Det är en långvarig utmaning att kunna kontrollera biologiska system för att utföra specifika uppgifter. I ett papper publicerat i Naturfysik , forskare vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, i samarbete med grupper i USA och Storbritannien, har nu rapporterat att göra just det. De har hittat ett sätt att kontrollera bakterier för att transportera mikroskopisk last. Bakterier utgör den största biomassan i världen, större än alla djur och växter tillsammans, och de rör sig hela tiden, men deras rörelse är kaotisk. Forskarna förföljde tanken att om denna rörelse kunde kontrolleras, de kanske kan utveckla det till ett biologiskt verktyg. De använde en flytande kristall för att diktera riktningen för bakterierörelsen, och tillsatte en mikroskopisk last för bakterierna att bära, mer än fem gånger bakteriens storlek.

Järnvägskonstruktion i bakterieskala

Biträdande professor Amin Doostmohammadi vid Niels Bohr -institutet förklarar att tidigare det har gjorts försök att kontrollera bakteriernas beteende. Men han och hans kollegor antog ett nytt tillvägagångssätt:"Vi tänkte för oss själva, vad sägs om att vi skapar ett spår för bakterierna? Sättet vi gör det experimentellt är att sätta bakterierna inuti en flytande kristall. Tricket är att en flytande kristall inte är som en kristall, det är inte heller en vätska, det är någonstans däremellan. Varje molekyl i kristallen har en orientering, men har ingen positionsordning. Detta innebär att molekylerna kan flyta som en vätska, men de kan också anpassa sig som en kristall samtidigt. Detta är exakt den fysik som ligger till grund för LCD -skärmar för tv -apparater, bildskärmar och mobiltelefoner Vi kan förbereda den underliggande flytande kristallen så att den tar ett väldefinierat mönster. Och bakterierna kommer att orientera sig i samma riktning. Det begränsar inte bakterierörelsen, det orienterar dem bara i den riktning vi vill ha dem. "

Mönsterdesign och modellbyggnad

Starka bakteriestrålar som rör sig i en bestämd riktning utan fluktuationer är det stora resultatet av experimentet, enligt Amin Doostmohammadi. Vad händer vanligtvis om bakteriestrålarna är tillräckligt starka för att vara användbara, koncentrationen av bakterier måste vara hög, och instabilitet börjar vanligtvis dyka upp. Strålen blir instabil och kaotisk. Men i flytande kristallmönstret, instabiliteten kan till stor del undertryckas och förhindra att bakteriestrålarna blir kaotiska. Mönstret dikterar riktningen. Detta innebär att det är möjligt att skapa strålar av bakterier som är tillräckligt starka för att bära strängar av mikroskopisk last, varje lastbit fem gånger storleken på bakterierna själva.

Ett expanderande vetenskapligt område

Under de senaste tio åren har det vetenskapliga området expanderat. Nuvarande, det är möjligt att bekämpa bakterier i ganska stor utsträckning och den så kallade "aktiva substansen" - bakterierna, kan göras för att rotera eller bilda olika mönster. Nu, med detta tillvägagångssätt, bakteriestrålar kan stabiliseras i rymden så att de till och med kan bära mikroskopisk last.

"Vi är fortfarande på en experimentell nivå, och det finns ännu inte ett särskilt användningsområde för denna teknik. Just nu, den främsta motivationen är medicinska tillämpningar. Men på riktigt, när vi tänker på det, vi pratar faktiskt om en helt ny typ av material. Vi känner flytkristallen från tidigare, men nu har vi att göra med en levande flytande kristall, "Amin Doostmohammadi säger." Du kan tänka dig alla möjliga materialvetenskapliga möjligheter med denna forskning. Kanske kan det gälla andra system, till cellbeteende eller spermier och så vidare. Som teoretisk fysiker, Jag tänker på de grundläggande konsekvenserna när det gäller vetenskapen, men denna förmåga att leverera läkemedel av bakterier, det här är något nytt. En sak värd att notera är att när du levererar ett läkemedel på detta sätt, du behöver ingen yttre kraft. Bakterierna gör det själva. Det är som en vätska som pumpar sig själv. Det är en självpumpande vätska, så att säga."

Teori och experiment är oupplösligt kopplade

Resultaten har erhållits i ett samarbete med andra forskargrupper. Två medarbetare i USA, Oleg Lavrentovich vid Kent State University och Igor Aranson vid Penn State University - startade denna forskningsgren 2014. Nu samarbetade vi med Amin Doostmohammadi vid Niels Bohr Institute och Julia Yeomans vid University of Oxford, experiment och teori har gått samman för att designa och kontrollera starka bakteriestrålar. "Vi kan ha en teoretisk idé, men det är kopplingen mellan teori och experiment som faktiskt leder till dessa lovande resultat, säger Amin Doostmohammadi.