«Одна из идей, которые мы придумали, — это живые материалы, — сказал Игорь С. Аронсон, заведующий кафедрой Huck и профессор биомедицинской инженерии, химии и математики. Живая материя, активная материя может самовосстанавливаться и изменять форму и преобразовывать энергию в механическое движение ».
Живой материал, который Аронсон исследует с помощью прогностических вычислительных моделей и экспериментов, состоит из бактерии Bacillus subtilis, которая может быстро перемещаться с помощью своих длинных жгутиков и нематического жидкого кристалла — кромогликата динатрия. Жидкие кристаллы как материалы находятся где-то между жидкостью и твердым телом. В этом случае молекулы кромогликата динатрия выстраиваются длинными параллельными рядами, но не фиксируются на месте.
Способные двигаться, они остаются ориентированными только в одном направлении, если их не потревожить.По словам Аронсона, этот тип жидких кристаллов очень похож на прямолинейное поле с гребнями молекул и бороздками в областях между ними.
Ранее исследователи обнаружили, что эти крошечные бактерии в жидкокристаллическом материале могут проталкивать груз — крошечные частицы — через каналы в жидком кристалле и перемещаться на расстояние, в четыре раза превышающее длину их тела, в небольших концентрациях, но по консервативным данным, в 20 раз больше их тела. длина в большом количестве.«Неожиданным свойством комбинации жидкого кристалла и бактерий является то, что при концентрации бактерий примерно в 0,1 процента от объема мы начинаем видеть коллективную реакцию со стороны бактерий», — сказал Аронсон.Этот тип живого материала — это не просто комбинация двух компонентов, но две части создают что-то с необычными оптическими, физическими или электрическими свойствами.
Однако прямой связи между бактериями и жидкостью нет. Компьютерные модели исследователей показали коллективное поведение в их системе, подобное тому, которое наблюдается в реальных комбинациях жидких кристаллов и бактерий.Прогностические вычислительные модели для этой жидкокристаллической бактериальной системы показывают переход от прямых параллельных каналов, когда существует только небольшая популяция бактерий, к более сложной, организованной, активной конфигурации, когда популяции бактерий выше.
Хотя узоры постоянно меняются, они, как правило, образуют дефекты в виде стрелок, которые служат ловушками и концентрируют бактерии в определенной области, а также треугольные дефекты, которые направляют бактерии из этой области. Повышенная концентрация бактерий увеличивает скорость распространения бактерий, и конфигурации в областях с более высокой популяцией бактерий меняются быстрее, чем в областях с меньшим количеством бактерий. Аронсон и его команда смотрели на реальные жидкокристаллические живые материалы несколько иначе, чем в прошлом.
Они хотели, чтобы жидкая тонкая пленка была независимой и не касалась какой-либо поверхности, поэтому они использовали устройство, которое создавало пленку — аналогично тому, как это используется для создания больших мыльных пузырей — и подвешивало ее вдали от контакта с поверхностью. Такой подход позволил выявить дефекты структуры материала.По словам исследователей, эксперименты с тонкими пленками жидких кристаллов и бактерий дали те же результаты, что и вычислительные модели.Еще один эффект, который обнаружили исследователи, заключался в том, что когда кислород был удален из системы, действие живого материала прекращалось.
Bacillus subtilis обычно находится в местах с кислородом, но может выжить в условиях, лишенных кислорода. Бактерии в живом материале не умерли, они просто перестали двигаться, пока снова не появился кислород.
Исследователи сообщили в Physical Review X, что их «результаты предлагают новые подходы к улавливанию и транспортировке бактерий и синтетических пловцов в анизотропных жидкостях, а также расширяют набор инструментов для управления микроскопическими объектами в активном веществе и манипулирования ими». Поскольку некоторые биологические вещества, такие как слизь и клеточные мембраны, иногда являются жидкими кристаллами, это исследование может дать знания о том, как эти биологические вещества взаимодействуют с бактериями, и может дать представление о заболеваниях, вызванных проникновением бактерий в слизь.