Δημοφιλείς Αναρτήσεις

Επιλογή Συντάκτη - 2019

Τα ζωντανά υλικά υγρών κρυστάλλων και βακτηρίων αυτο-οργανώνονται και κινούνται με τον δικό τους τρόπο

Anonim

Τα έξυπνα γυαλιά, οι μεταβατικοί φακοί και οι δακτύλιοι διάθεσης δεν είναι τα μόνα που κατασκευάζονται από υγρούς κρυστάλλους. η βλέννα, η λάσπη γυμνοσάλιαγκας και οι κυτταρικές μεμβράνες τους περιέχουν επίσης. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών προσπαθεί να καταλάβει καλύτερα πώς οι υγροί κρύσταλλοι, σε συνδυασμό με τα βακτηρίδια, αποτελούν ζωντανά υλικά και πως αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να οργανώνουν και να κινούνται.

διαφήμιση


"Μία από τις ιδέες που ήρθαμε ήταν υλικά που ζουν", δήλωσε ο Igor S. Aronson, κάτοχος της πρόεδρος Huck και καθηγητής της Βιοϊατρικής Μηχανικής, Χημείας και Μαθηματικών. Η ζωντανή ύλη, η ενεργός ύλη μπορεί να είναι αυτοθεραπεία και να αλλάζει σχήμα και θα μετατρέψει την ενέργεια σε μηχανική κίνηση. "

Το ζωντανό υλικό Aronson διερευνά χρησιμοποιώντας προγνωστικά υπολογιστικά μοντέλα και τα πειράματα αποτελείται από ένα βακτήριο - Bacillus subtilis - που μπορεί να κινηθεί γρήγορα χρησιμοποιώντας το μακρύ μαστίγιο και ένα νηματικό υγρό κρύσταλλο - χρωμογλυκικό δινάτριο. Οι υγροί κρύσταλλοι ως υλικά κάθονται κάπου μεταξύ ενός υγρού και ενός στερεού. Σε αυτή την περίπτωση, τα μόρια στο χρωμογλυκικό δινάτριο ευθυγραμμίζονται σε μακριές παράλληλες σειρές, αλλά δεν έχουν σταθεροποιηθεί στη θέση τους. Αν είναι ικανά να κινούνται, παραμένουν προσανατολισμένοι μόνο σε μία κατεύθυνση, εκτός αν διαταραχθούν.

Σύμφωνα με τον Aronson, αυτός ο τύπος υγρού κρυστάλλου μοιάζει πολύ με ένα ευθεία όργωμα με τις ράχες των μορίων και τις αυλακώσεις στις περιοχές μεταξύ τους.

Προηγουμένως οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτά τα μικροσκοπικά βακτήρια σε υλικό υγρών κρυστάλλων μπορούν να ωθήσουν το φορτίο - μικροσκοπικά σωματίδια - μέσω των διαύλων σε υγρό κρύσταλλο και να κινούνται σε τέσσερις φορές το μήκος του σώματος τους σε μικρές συγκεντρώσεις αλλά συντηρητικά σε 20 φορές το σώμα τους μήκος σε μεγάλους αριθμούς.

"Μια αναδυόμενη ιδιότητα του συνδυασμού υγρών κρυστάλλων και βακτηριδίων είναι ότι σε μια συγκέντρωση βακτηρίων περίπου 0, 1% ανά όγκο αρχίζουμε να δούμε μια συλλογική αντίδραση από τα βακτηρίδια", δήλωσε ο Aronson.

Αυτός ο τύπος ζωντανού υλικού δεν είναι απλά ένας συνδυασμός δύο συστατικών, αλλά τα δύο μέρη δημιουργούν κάτι με ασυνήθιστες οπτικές, φυσικές ή ηλεκτρικές ιδιότητες. Ωστόσο, δεν υπάρχει άμεση σύνδεση μεταξύ των βακτηρίων και του υγρού. Τα μοντέλα υπολογιστών των ερευνητών έδειξαν συλλογική συμπεριφορά στο σύστημά τους παρόμοια με αυτή που παρατηρείται στους πραγματικούς συνδυασμούς υγρών κρυστάλλων / βακτηρίων.

Τα προγνωστικά υπολογιστικά μοντέλα για αυτό το σύστημα βακτηρίων υγρών κρυστάλλων δείχνουν μια αλλαγή από ευθεία παράλληλα κανάλια όταν υπάρχει μόνο ένας μικρός πληθυσμός βακτηρίων σε μια πιο πολύπλοκη οργανωμένη ενεργή διαμόρφωση όταν οι πληθυσμοί βακτηρίων είναι υψηλότεροι. Ενώ τα μοτίβα αλλάζουν πάντοτε, τείνουν να σχηματίζουν ελαττώματα δείκτη - σχήματα βέλους - που χρησιμεύουν ως παγίδες και συμπύκνωση βακτηρίων σε μια περιοχή, και τριγωνικά ελαττώματα που κατευθύνουν βακτήρια μακριά από την περιοχή. Η αυξημένη βακτηριακή συγκέντρωση αυξάνει την ταχύτητα των βακτηριδίων και τις διαμορφώσεις σε περιοχές με υψηλότερο πληθυσμό βακτηριδίων μεταβάλλοντας ταχύτερα από ό, τι σε περιοχές με λιγότερα βακτήρια. Ο Aronson και η ομάδα του εξέτασαν τα πραγματικά ζωντανά υλικά υγρών κρυστάλλων με έναν ελαφρώς διαφορετικό τρόπο από ό, τι στο παρελθόν. Ήθελαν να είναι ανεξάρτητη η λεπτή μεμβράνη υγρών κρυστάλλων, χωρίς να αγγίζει καμία επιφάνεια, έτσι χρησιμοποίησαν μια συσκευή που δημιούργησε την μεμβράνη - με τρόπο παρόμοιο με αυτόν που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μεγάλων φυσαλίδων σαπουνιού - και την ανέστειλε μακριά από την επιφάνεια επαφής. Αυτή η προσέγγιση έδειξε πρότυπα ελαττωμάτων στη δομή του υλικού.

Τα πειράματα με λεπτές μεμβράνες υγρών κρυστάλλων και βακτηρίων παρήγαγαν τα ίδια αποτελέσματα με τα υπολογιστικά μοντέλα, σύμφωνα με τους ερευνητές.

Ένα άλλο αποτέλεσμα που οι ερευνητές διαπίστωσαν ήταν ότι όταν αφαιρέθηκε οξυγόνο από το σύστημα, η δράση του ζωντανού υλικού σταμάτησε. Ο Bacillus subtilis συνήθως βρίσκεται σε μέρη με οξυγόνο, αλλά μπορεί να επιβιώσει σε περιβάλλοντα χωρίς οξυγόνο. Τα βακτήρια στο ζωντανό υλικό δεν πέθαιναν, απλά σταμάτησαν να κινούνται μέχρις ότου το οξυγόνο ήταν και πάλι παρόν.

Οι ερευνητές ανέφεραν στο Physical Review X ότι τα ευρήματά τους υποδεικνύουν νέες προσεγγίσεις για την παγίδευση και μεταφορά βακτηρίων και συνθετικών κολυμβητών σε ανισότροπα υγρά και επεκτείνουν ένα εύρος εργαλείων για τον έλεγχο και τον χειρισμό μικροσκοπικών αντικειμένων σε ενεργή ύλη. Επειδή ορισμένες βιολογικές ουσίες, όπως η βλέννα και οι κυτταρικές μεμβράνες, είναι μερικές φορές υγροί κρύσταλλοι, αυτή η έρευνα μπορεί να παράγει γνώση για το πώς αυτές οι βιολογικές ουσίες αλληλεπιδρούν με βακτήρια και μπορεί να παρέχουν πληροφορίες για ασθένειες λόγω βακτηριακής διείσδυσης στη βλέννα.

διαφήμιση



Ιστορία Πηγή:

Υλικά που παρέχονται από την Penn State . Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να επεξεργαστεί για στυλ και μήκος.


Βιβλιογραφία :

  1. Μιχαήλ Μ. Γκένκιν, Αντρέι Σοκόλοφ, Ολέγκ Δ. Λαβρεντόβιτς, Ιγκόρ Σ. Αράνσον. Τοπολογικά ελαττώματα σε ένα ζωντανό Nematic Ensnare κολύμβησης βακτήρια . Physical Review Χ, 2017; 7 (1) DOI: 10.1103 / PhysRevX.7.011029