Priljubljene Objave

Izbira Urednika - 2019

Tekoči kristali in bakterijski živi materiali se sami organizirajo in premikajo na svoj način

Anonim

Pametno steklo, prehodne leče in razpoloženi obroči niso edini predmeti iz tekočih kristalov; sluz, slug slime in celične membrane jih tudi vsebujejo. Zdaj, skupina raziskovalcev poskuša bolje razumeti, kako tekoči kristali v kombinaciji z bakterijami tvorijo živi material in kako se ti obnašajo za organizacijo in premikanje.

oglas


"Eden od idej, s katerimi smo prišli, je bil material, ki živi", je dejal Igor S. Aronson, nosilec predsednika Huck in profesor za biomedicinsko inženirstvo, kemijo in matematiko. Življenje, aktivna snov se lahko samozdravi in ​​spremeni v oblike ter pretvori energijo v mehansko gibanje. "

Živi material Aronson raziskovamo z uporabo napovednih računskih modelov, eksperimenti pa so sestavljeni iz bakterije - Bacillus subtilis - ki se lahko hitro premika s pomočjo dolgih flagelov in nematskega tekočega kristala - dinatrijevega kromoglikata. Tekoči kristali kot materiali ležijo nekje med tekočino in trdno snovjo. V tem primeru se molekule v dinatrijevem kromoglikatu segajo v dolge vzporedne vrstice, vendar niso nameščene na mestu. Sposobni se gibati, ostanejo usmerjeni samo v eno smer, razen če so moteni.

Po besedah ​​Aronsona ta vrsta tekočega kristala tesno spominja na ravno oranjeno polje z grebeni molekul in brazde na območjih med njimi.

Prej so raziskovalci ugotovili, da lahko te drobne bakterije v tekočem kristalnem materialu potiskajo tovorne - drobne delce - skozi kanale v tekočem kristalu in se gibljejo pri štirikratni dolžini telesa, ko so v majhnih koncentracijah, vendar konzervativno, pri 20-kratnem telesu dolžina, kadar je v velikem številu.

"Nastajajoča lastnost kombinacije tekočih kristalov in bakterij je, da pri približno 0, 1 odstotni koncentraciji bakterijskih koncentracij začnemo videti skupni odziv bakterij, " je dejal Aronson.

Ta vrsta živega materiala ni le kombinacija dveh komponent, temveč dva dela ustvarjajo nekaj z nenavadnimi optičnimi, fizikalnimi ali električnimi lastnostmi. Vendar pa ni neposredne povezave med bakterijami in tekočino. Računalniški modeli raziskovalcev so pokazali kolektivno vedenje v svojem sistemu, podobno tistemu, ki ga vidimo v dejanskih kombinacijah tekočih kristalov / bakterij.

Napovedni računski modeli za ta tekočekristalni bakterijski sistem kažejo spremembo iz ravnih vzporednih kanalov, ko le populacija majhnih bakterij obstaja, do bolj zapletene, organizirane, aktivne konfiguracije, kadar so populacije bakterij višje. Medtem ko se vzorci vedno spreminjajo, se nagibajo k oblikovanju pomanjkljivosti kazalcev - oblik strele - ki služijo kot pasti in koncentrirajo bakterije na območju, in trikotne napake, ki usmerjajo bakterije stran od območja. Povečana koncentracija bakterij povečuje hitrost bakterij in konfiguracij na območjih z višjo populacijo bakterij hitreje kot na območjih z manj bakterij. Aronson in njegova ekipa sta precej drugače obravnavali dejansko tekoče kristalno živo gradivo kot v preteklosti. Želeli so, da je tankostni film s tekočimi kristali neodvisen, ne dotikajoč katere koli površine, zato so uporabili napravo, ki je ustvarila film - na način, podoben tistemu, ki se uporablja za ustvarjanje velikih milnih mehurčkov - in ga je prekinil od površinskega kontakta. Ta pristop je pokazal vzorce pomanjkljivosti v strukturi materiala.

Poskusi s tankimi filmi tekočih kristalov in bakterij so pokazali enake rezultate kot računalniški modeli, so po mnenju raziskovalcev.

Drug učinek, ki so ga ugotovili raziskovalci, je bil, da se je, ko je bil s sistema odstranjen kisik, ustavil delovanje živega materiala. Bacillus subtilis se navadno nahaja na mestih s kisikom, vendar lahko preživi v okoljih brez kisika. Bakterije v živem materialu niso umrle, preprosto so se ustavile, dokler ni bil ponovno prisoten kisik.

Raziskovalci so v Physical Review X poročali, da njihova "odkritja kažejo nove pristope za lovljenje in prevoz bakterij in sintetičnih plavalcev v anizotropnih tekočinah in razširjajo obseg orodij za nadzor in manipulacijo mikroskopskih predmetov v aktivni snovi". Ker so nekatere biološke snovi, kot so sluz in celične membrane, včasih tekoči kristali, lahko ta raziskava povzroči znanje o tem, kako te biološke snovi vplivajo na bakterije in bi lahko zagotovile vpogled v bolezni zaradi bakterijske penetracije v sluzi.

oglas



Story Source:

Materiali, ki jih zagotavlja Penn State . Opomba: Vsebino lahko uredite za slog in dolžino.


Referenčni opis revije :

  1. Mikhail M. Genkin, Andrey Sokolov, Oleg D. Lavrentovich, Igor S. Aranson. Topološke napake v plitvih bakterijah, ki živijo nematika . Fizični pregled X, 2017; 7 (1) DOI: 10.1103 / PhysRevX.7.011029