Bakterier kan aktivt röra sig mot en näringskälla - ett fenomen som kallas kemotaxi - och de kan röra sig kollektivt i en process som kallas svärmning. Kinesiska forskare har gjort om kollektiv kemotaxi genom att skapa konstgjorda modellnanosimmare från kemiskt och biokemiskt modifierade guldnanopartiklar. Modellen kan hjälpa till att förstå dynamiken i kemotaktisk motilitet i en bakteriesvärm, avslutar studien publicerad i tidskriften Angewandte Chemie .

Vad orsakar svärmning, och om ett sådant kollektivt beteende kan översättas till artificiella intelligenta system, är för närvarande ett ämne för intensiv vetenskaplig forskning. Det är känt att bakterier som simmar i en tät förpackning känner den omgivande vätskan annorlunda än en simmare. Men i vilken grad blir simmare påskyndade i en svärm, och vilka andra faktorer som spelar roll, är fortfarande oklart. Den kolloidala kemisten Qiang He vid Harbin Institute of Technology, Kina, och hans kollegor, har nu konstruerat en enkel konstgjord modell av bakterieliknande nanosimmare. De observerade aktivt kemotaktisk beteende och bildning av simmare till en distinkt rörlig svärm.

Han och hans kollegor konstruerade sina konstgjorda simmare från små sfärer av guld. Med en storlek 40 gånger mindre än en vanlig bakterie, guldnanopartiklarna låg under mikroskopets detektionsgräns. Dock, tack vare ett ljusspridningsfenomen som kallas Tyndall-effekten, forskarna kunde observera större förändringar i lösningen som innehåller simmare, även med blotta ögat. Använda andra analytiska tekniker, de löste också hastigheten, orientering, och koncentration av partiklarna i finare detalj.

Forskare tycker om att arbeta med guldnanopartiklar eftersom de små sfärerna bildar en stabil, dispergera lösning, kan lätt observeras med ett elektronmikroskop, och molekyler kan fästas till dem relativt lätt. Han och hans team laddade först ytan av stora kiseldioxidsfärer med guldpartiklar. Sedan fäste de polymerborstar på den exponerade sidan av guldsfärerna. Dessa borstar var gjorda av polymerkedjor, och med en längd på upp till 80 nanometer, de gjorde guldpartiklarna mycket asymmetriska.

Forskarna löste upp kiseldioxidbäraren och band ett enzym på den exponerade sidan av guldsfärerna så att de resulterande nanopartiklarna täcktes med långa och tjocka polymerborstar på ena sidan och med enzymet på den andra. I närvaro av syre, glukosoxidasenzymet bryter ner glukos till en förening som kallas glukonsyra.

För att avgöra om nanosimmare aktivt skulle simma i en given riktning, författarna placerade dem i ena änden av en liten kanal och placerade en permanent glukoskälla i den andra änden. På samma sätt som levande bakterier, modellsimmare färdades aktivt längs glukosgradienten mot glukoskällan. Bara detta faktum var inte förvånande eftersom enzymatiskt driven, självgående simmare är kända från experiment och teori. Men författarna kunde också upptäcka svärmbeteende. De asymmetriska nanopartiklarna kondenserade till en separat fas som rörde sig kollektivt längs näringsgradienten.

Författarna föreställer sig att nanosimmare skulle kunna vidareutvecklas som värdefulla och lättillgängliga fysiska modeller för att studera det kemotaktiska och svärmande beteendet hos levande eller icke-levande saker på nanoskala.