Mikromotoren werden von Bakterien angetrieben, die durch Licht gesteuert werden

Anonim

(Phys.org) - Wenn Forscher einen Tropfen Flüssigkeit mit Tausenden frei schwimmenden, gentechnisch veränderten E. coli auf eine Reihe von Mikromotoren ablegen, beginnen die Mikromotoren innerhalb weniger Minuten zu rotieren. Einige der einzelnen Bakterien schwammen kopfüber in eines der 15 Mikrokammern, die an der äußeren Kante jedes Mikromotors geätzt wurden, und mit ihren Flagellen, die aus den Mikrokammern herausragen, zusammen verursachen die schwimmenden Bakterien eine Rotation der Mikromotoren, ähnlich wie eine Strömung Fluss dreht eine Wassermühle.

Die Forscher unter der Leitung von Roberto Di Leonardo, Physikprofessor an der Sapienza Università di Roma und bei NANOTEC-CNR, beide in Rom, haben in einer aktuellen Ausgabe von Nature Communications einen Artikel über bakterienbetriebene Mikromotoren veröffentlicht.

"Unser Design kombiniert eine hohe Rotationsgeschwindigkeit mit einer enormen Reduzierung der Fluktuation im Vergleich zu früheren Versuchen mit Wildtyp-Bakterien und flachen Strukturen", sagte Di Leonardo. "Wir können große Arrays von unabhängig gesteuerten Rotoren herstellen, die Licht als ultimative Energiequelle nutzen. Diese Geräte könnten eines Tages als billige und wegwerfbare Aktuatoren in Mikrorobotern dienen, um einzelne Zellen in miniaturisierten biomedizinischen Laboratorien zu sammeln und zu sortieren."

Eine Flüssigkeit wie die hier verwendete, die große Mengen von Schwimmbakterien enthält, wird wegen der mechanischen Energie, die sie enthält, als "aktive Flüssigkeit" bezeichnet. Damit aktive Fluide als Brennstoff zum Antreiben von Mikromaschinen verwendet werden können, muss die gestörte Bewegung der Bakterien so gesteuert werden, dass sich alle (oder die meisten) Bakterien in die gleiche Richtung bewegen.

Dies ist im Wesentlichen was die Mikromotoren tun. Die Mikrokammern entlang der Kanten jedes Mikromotors sind in einem Winkel von 45 ° geneigt, was das Gesamtdrehmoment maximiert, mit dem die Bakterien die Motoren zum Rotieren bringen können. Bei ihrem Entwurf bauten die Forscher auch eine radiale Rampe mit strategisch platzierten Barrieren, die die schwimmenden Bakterien in die Mikrokammern leiten. In Experimenten fanden die Forscher heraus, dass die Rotationsgeschwindigkeit eines Mikromotors linear mit der Anzahl der eingefangenen Bakterien ansteigt, und sie könnten leicht Rotationsgeschwindigkeiten von 20 Umdrehungen pro Minute erreichen.

Eine weitere wichtige Voraussetzung für jeden mikrobakteriellen Mikromotor ist die Fähigkeit, die Bewegung des Mikromotors zu steuern. Zu diesem Zweck modifizierten die Forscher den E. coli- Stamm genetisch so, dass sie eine lichtgetriebene Protonenpumpe namens Proteorhodopsin exprimieren, die Photonenenergie nutzt, um Protonen gegen den elektrochemischen Gradienten zu pumpen, was die Schwimmgeschwindigkeit der Bakterien erhöht. Durch die Beleuchtung der bakteriengetriebenen Mikromotoren mit unterschiedlichen Lichtintensitäten könnten die Forscher dann die Geschwindigkeit der Mikromotoren steuern.

Damit diese Systeme in praktischen Anwendungen verwendet werden, ist es auch wichtig, dass alle Mikromotoren in einem Array Durchschnittsgeschwindigkeiten aufweisen, die gleichförmig sind und wenig Fluktuation aufweisen. Mit Hilfe eines Rückkopplungsalgorithmus, der das System alle 10 Sekunden gleichmäßig beleuchtet, demonstrierten die Forscher, dass die Mikromotoren mit sehr geringen Geschwindigkeitsschwankungen effektiv synchronisiert werden können. Mit dieser Lichtkontrollmethode konnten die Forscher eine Reihe von Mikromotoren mit einer bestimmten Geschwindigkeit gleichzeitig drehen.

Die bakteriengetriebenen Mikromotoren haben potenzielle medizinische Anwendungen, wie beispielsweise die Lieferung von Medikamenten und Fracht, die die Forscher in Zukunft untersuchen wollen.

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