Flydende krystal og bakterielle levende materialer organiserer sig selv og bevæger sig på deres egen måde

Smart glas, overgangslinser og humørringe er ikke de eneste ting, der er lavet af flydende krystaller; slim, slug slim og cellemembraner indeholder dem også. Nu, et team af forskere forsøger bedre at forstå, hvordan flydende krystaller, kombineret med bakterier, danne levende materialer, og hvordan de to interagerer for at organisere og bevæge sig.

"En af de ideer, vi kom med, var materialer, der lever, "sagde Igor S. Aronson, indehaver af Huck -stolen og professor i biomedicinsk teknik, Kemi og matematik. Levende stof, aktivt stof kan være selvhelbredende og formskiftende og vil omdanne energi til mekanisk bevægelse. "

Det levende materiale Aronson udforsker ved hjælp af forudsigende beregningsmodeller, og eksperimenter består af en bakterie - Bacillus subtilis - der hurtigt kan bevæge sig ved hjælp af sin lange flagella og en nematisk flydende krystal - dinatriumcromoglycat. Flydende krystaller som materialer sidder et sted mellem en væske og et fast stof. I dette tilfælde, molekylerne i dinatriumcromoglycat står i lange parallelle rækker, men er ikke fastgjort på plads. Kan bevæge sig, de forbliver orienteret i kun en retning, medmindre de forstyrres.

Ifølge Aronson, denne type flydende krystal ligner meget et lige pløjet felt med kamme molekylerne og furer områderne imellem.

Tidligere fandt forskerne ud af, at disse små bakterier i et flydende krystalmateriale kan skubbe last - små partikler - gennem kanalerne i en flydende krystal og bevæge sig fire gange deres kropslængde, når de er i små koncentrationer, men konservativt, 20 gange deres kropslængde, når de er i store mængder.

"En fremtrædende egenskab ved kombinationen af ​​en flydende krystal og bakterier er, at vi ved en bakteriekoncentration på 0,1 volumenprocent begynder at se en kollektiv reaktion fra bakterierne, "sagde Aronson.

Denne type levende materiale er ikke blot en kombination af to komponenter, men de to dele skaber noget med usædvanlig optisk, fysiske eller elektriske egenskaber. Imidlertid, der er ingen direkte forbindelse mellem bakterierne og væsken. Forskernes computermodeller viste kollektiv adfærd i deres system svarende til den, der ses i faktiske kombinationer af flydende krystal/bakterier.

De forudsigende beregningsmodeller for dette flydende krystalbakteriesystem viser en ændring fra lige parallelle kanaler, når der kun findes en lille bakteriepopulation, til en mere kompleks, organiseret, aktiv konfiguration, når bakteriepopulationer er højere. Mens mønstrene altid ændrer sig, de har tendens til at danne markørfejl - pileformer - der fungerer som fælder og koncentrerer bakterier i et område, og trekantsdefekter, der leder bakterier væk fra området. Øget bakteriekoncentration øger bakteriens hastighed og konfigurationer i områder med en højere bakteriepopulation ændrer sig hurtigere end i områder med færre bakterier. Aronson og hans team så på faktiske flydende krystal levende materialer på en lidt anden måde end tidligere. De ønskede, at den flydende krystal tynde film skulle være uafhængig, ikke rører nogen overflade, så de brugte en enhed, der skabte filmen - på en måde, der lignede den, der bruges til at skabe store sæbebobler - og suspenderede den væk fra overfladekontakt. Denne fremgangsmåde viste mønstre af defekter i materialets struktur.

Eksperimenter med tynde film af flydende krystaller og bakterier gav de samme resultater som beregningsmodellerne, ifølge forskerne.

En anden effekt, forskerne fandt, var, at når ilt blev fjernet fra systemet, det levende materiales virkning stoppede. Bacillus subtilis findes normalt på steder med ilt, men kan overleve i miljøer uden ilt. Bakterierne i det levende materiale døde ikke, de stoppede simpelthen med at bevæge sig, indtil ilt igen var til stede.

Forskerne rapporterede i Fysisk gennemgang X at deres "fund tyder på nye tilgange til fangst og transport af bakterier og syntetiske svømmere i anisotrope væsker og udvider en række værktøjer til at kontrollere og manipulere mikroskopiske objekter i aktivt stof." Fordi nogle biologiske stoffer som slim og cellemembraner undertiden er flydende krystaller, denne forskning kan producere viden om, hvordan disse biologiske stoffer interagerer med bakterier og kan give indsigt i sygdomme på grund af bakteriel penetration i slim.