Mikromotorer drives af bakterier, styret af lys

(Phys.org)-Når forskere deponerer en dråbe væske, der indeholder tusindvis af frit svømmende, genetisk manipuleret E coli på en række mikromotorer, inden for få minutter begynder mikromotorerne at rotere. Nogle af de enkelte bakterier er svømmet med hovedet først ind i et af de 15 mikrokamre, der er ætset på yderkanten af ​​hver mikromotor, og med deres flagella stikker uden for mikrokamrene, sammen får svømmebakterierne mikromotorerne til at rotere, ligner lidt hvordan en flydende flod roterer en vandmølle.

Forskerne, ledet af Roberto Di Leonardo, en fysikprofessor ved Sapienza Università di Roma og ved NANOTEC-CNR, både i Rom, har udgivet et papir om de bakteriedrevne mikromotorer i et nyligt nummer af Naturkommunikation .

"Vores design kombinerer en høj rotationshastighed med en enorm reduktion i fluktuation sammenlignet med tidligere forsøg baseret på vildtype bakterier og flade strukturer, "sagde Di Leonardo." Vi kan producere store arrays af uafhængigt styrede rotorer, der bruger lys som den ultimative energikilde. Disse enheder kunne tjene en dag som billige og engangsmotorer i mikrorobotter til opsamling og sortering af individuelle celler inde i miniaturiserede biomedicinske laboratorier. "

En væske som den, der bruges her, som indeholder store mængder svømmebakterier, kaldes en "aktiv væske" på grund af den mekaniske energi, den indeholder. For at aktive væsker kan bruges som brændstof til fremdrivning af mikromaskiner, bakteriernes uordnede bevægelse skal kontrolleres, så alle (eller de fleste) af bakterierne bevæger sig i samme retning.

Dette er i det væsentlige, hvad mikromotorerne gør. Mikrokamrene langs kanterne af hver mikromotor vippes i en vinkel på 45°, som maksimerer det samlede drejningsmoment, hvormed bakterierne kan få motorerne til at rotere. I deres design, forskerne byggede også en radial rampe med strategisk placerede barrierer, der leder svømmebakterierne ind i mikrokamrene. I eksperimenter, forskerne fandt ud af, at en mikromotors rotationshastighed stiger lineært med antallet af fangede bakterier, og de kunne nemt opnå rotationshastigheder på 20 omdrejninger i minuttet.

Et andet vigtigt krav for enhver bakteriedrevet mikromotor er evnen til at kontrollere mikromotorens bevægelse. At gøre dette, forskerne genetisk modificerede E coli stamme til at udtrykke en lysdrevet protonpumpe kaldet proteorhodopsin, der bruger fotonergi til at pumpe protoner mod den elektrokemiske gradient, hvilket øger bakteriernes svømmehastigheder. Ved at belyse de bakteriedrevne mikromotorer med forskellige lysintensiteter, forskerne kunne så styre mikromotorernes hastighed.

For at disse systemer kan bruges i praktiske applikationer, Det er også vigtigt, at alle mikromotorer i et array har gennemsnitshastigheder, der er ensartede og har få udsving. Ved hjælp af en feedback -algoritme, der ensartet belyser systemet hvert 10. sekund, forskerne viste, at mikromotorerne effektivt kan synkroniseres med meget lidt variation i hastigheden. Ved hjælp af denne lysstyringsmetode, forskerne kunne rotere et sæt mikromotorer unisont med en bestemt hastighed.

De bakteriedrevne mikromotorer har potentielle medicinske anvendelser, såsom levering af medicin og gods, som forskerne planlægger at undersøge i fremtiden.

© 2017 Phys.org