Возможность направленного движения вместо того, чтобы волей-неволей плыть в случайном направлении, жизненно важна для многих микроорганизмов. «Эволюция приложила огромные усилия, чтобы наделить подвижные бактерии способностью ориентироваться», — говорит Клеменс Бехингер. Сперматозоиды — хороший пример. У них есть эффективная двигательная система в виде жгутика. Однако это принесло бы им мало пользы без возможности перемещаться к яйцеклетке, поскольку в противном случае их шансы оплодотворить яйцеклетку были бы очень малы.
Химические аттрактанты, выделяемые яйцеклеткой, указывают путь. Сперматозоиды просто следуют градиенту концентрации этих веществ.
Бактерии также двигаются жгутиками и даже разработали целый ряд систем контроля — одни основаны на увеличении или уменьшении концентрации питательных веществ, другие — на гравитации, магнитном поле Земли или источниках света.
Команда Клеменса Бечингера наделила синтетически полученные частицы как системой подвижности, так и чувством направления, например, вдоль магнитного поля или по направлению к свету.
В результате получаются крошечные роботы, которыми можно управлять через жидкость с помощью простых внешних сигналов.
Черная половина частицы Януса нагревается сильнее
Однако копировать природу напрямую практически безнадежно.
Аппарат восприятия и системы подвижности, которые используют живые организмы для движения в предпочтительном направлении, слишком сложны. «Вместо этого мы разрабатываем микропловцы, которые способны выполнять фототаксис с минимальными усилиями», — объясняет Бехингер.
Команда, возглавляемая научным сотрудником Макса Планка, достигла этой цели.
Его микропловцы на удивление просты по конструкции. Это прозрачные стеклянные бусины диаметром несколько тысячных миллиметра, система подвижности которых также служит компасом.
Исследователи обеспечивают микропловцам обе функции, покрывая одну половину слоем черного углерода, благодаря чему частицы напоминают полумесяцы.
При равномерном освещении такие просто сконструированные так называемые частицы Януса движутся через смесь воды и растворимого органического вещества, потому что свет нагревает черную половину частицы сильнее, чем другую сторону. Тепло разделяет воду и органическое вещество, что приводит к разнице в концентрации растворенного вещества между двумя сторонами гранулы.
Градиент концентрации уравновешивается жидкостью, текущей по сферической поверхности прозрачной половины к черной стороне. Подобно гребной лодке, которая движется в направлении, противоположном движению весла, частицы плавают через жидкость своей прозрачной стороной вперед.
Переход от светлого к темному приводит к направленному движению
Однако синтетические микропловцы движутся в случайном направлении; Другими словами, у них есть система подвижности, но нет чувства направления. Исследователи решили эту проблему, позволив частицам Януса плавать по световому градиенту.е. в направлении, перпендикулярном постепенному переходу от светлого к темному. Затем микрочастицы фактически движутся направленно к менее освещенной части жидкости.
Таким образом, ученые наделили эту относительно простую систему способностями фототаксиса. Это объясняется тем, что сторона бусинки, расположенная в более ярко освещенной части, нагревается сильнее, чем сторона в более темной области. Поток жидкости, который компенсирует разницу в концентрации между двумя половинами частицы Януса, движется быстрее на стороне, подверженной большему количеству света, чем на стороне частицы в более темной части перехода свет-темнота.
Эта ситуация аналогична гребной лодке, когда весла не движутся с одинаковой скоростью с обеих сторон: она вращается.
Точно такой же эффект наблюдается с частицами Януса.
Они вращаются, пока черная крышка не будет обращена к свету. В этом положении вся поверхность раздела между крышкой и прозрачной частью имеет одинаковую яркость, так что компенсирующий поток жидкости везде одинаково силен. Затем частица Януса движется прямо к темной стороне. «Посредством простых модификаций сферы мы также можем добиться движения к более яркой стороне», — говорит Селия Лозано, которая работает постдоком в институте Бехингера. Таким образом, исследователи создали невероятно простую модель фототаксиса.
Роботы как медицинские патрульные — в пределах досягаемости
Однако, если интенсивность света падает ниже определенного значения, этот механизм больше не работает. Примерно через одну десятую миллиметра частицы начинают все больше отклоняться от своего курса.
Чтобы решить эту проблему и надежно перемещаться по микропловцам на большие расстояния, Селия Лозано использует систему, состоящую из лазера, линз и зеркал, для создания светового поля с зубчатым профилем с участками уменьшающейся и увеличивающейся яркости.
Однако области увеличения и уменьшения яркости не имеют одинаковой ширины. В сравнительно широких областях с уменьшающейся интенсивностью света частицы движутся в более темную область направленным образом. Напротив, в областях с нарастающей интенсивностью они плывут из темноты в свет, сохраняя при этом свой первоначальный курс. «Это связано с тем, что области увеличения яркости настолько узкие, что частицы не успевают изменить свое направление во время прохождения», — объясняет Борге тен Хаген, который подтвердил этот эффект в компьютерном моделировании.
Таким образом, микропловцы непрерывно движутся в одном направлении.
Тот факт, что система в целом очень проста, делает ее интересной для приложений. «Миллионы таких микропловцов могут быть легко изготовлены», — говорит Бехингер.
Такая армада надежно управляемых микрочастиц может использоваться для моделирования роения различных видов. А поскольку механизм ориентации, разработанный исследователями, работает не только при переходе от света к темноте, но и в градиенте химической концентрации, например, вблизи опухолей, видение создания роботов размером с клетки крови, которые патрулируют кровеносные сосуды для обнаружения и лечить поражения, такие как опухоли, также стали доступны.