Odkrycie może pozwolić na konstrukcję mikroskopijnych robotów, zdolnych do naprawiania uszkodzeń w organizmie
Fototaksja (zjawisko reakcji na bodźce świetlne) kieruje niektóre bakterie w kierunku światła, a inne ku ciemności. Umożliwia im to jak najbardziej efektywne wykorzystanie energii słonecznej potrzebnej do ich metabolizmu, albo też, chroni je przed nadmiernym natężeniem światła.
Zespół naukowców kierowany przez Clemensa Bechinger z Instytutu Inteligentnych Systemów Maxa Plancka i Uniwersytetu w Stuttgarcie oraz jego kolegów z Uniwersytetu w Düsseldorfie stworzył zaskakująco prosty sposób sterowania syntetycznych mikro-pływaków w kierunku światła lub ciemności. Ich odkrycie może doprowadzić do stworzenia maleńkich robotów, które mogłyby leczyć zmiany w organizmie człowieka.
Zdolność do poruszania się w sposób ukierunkowany ma zasadnicze znaczenie dla wielu mikroorganizmów. "Ewolucja podjęła ogromny wysiłek w celu nadania ruchliwym bakteriom możliwości orientacji w terenie" - mówi Clemens Bechinger.
Plemniki są bardzo dobrym przykładem. Mają efektywny system napędowy w postaci witki. Jednak jest on bezużyteczny bez wabiących chemicznych substancji uwalnianych przez komórki jajowe, które wskazują im drogę. Plemniki muszą już tylko podążać za zwiększającym się stężeniem tych substancji.
Bakterie są również napędzane przez swoiste witki, a nawet całą gamę systemów sterowania - niektóre oparte na zwiększaniu lub zmniejszaniu stężenia składników pokarmowych, inne na grawitacji Ziemi, polu magnetycznym lub źródłach światła.
Zespół Clemens Bechinger stworzył syntetyczne cząstki wyposażone w system poruszania się i poczucia kierunku, na przykład wzdłuż pola magnetycznego lub w kierunku światła. Sprawia to, że te małe roboty mogą być sterowane w cieczy za pomocą prostych sygnałów zewnętrznych.
Naukowcom było jednak ciężko naśladować naturę, ponieważ aparatura percepcji i systemy poruszania się żywych organizmów są zbyt skomplikowane. "Zamiast tego stworzyliśmy mikro-pływaki używające fototaksji" - wyjaśnia Bechinger.
Zespół kierowany przez Maxa Plancka osiągnął ten cel. Ich mikro-pływaki są zaskakująco proste w konstrukcji. Są to przezroczyste mikroskopijne szklane koraliki, których system napędzania służy jako kompas. Naukowcy wyposażyli mikro-pływaki w oba systemy dzięki pokryciu koralika z jednej strony czarną warstwą węgla, dzięki czemu cząstki przypominają półksiężyce.
Przy jednakowym oświetleniu taka prosta konstrukcja, nazwana cząstką Janus, pozwala przejść przez mieszaninę wody i rozpuszczalnej materii organicznej, ponieważ światło ogrzewa czarną połowę cząstki silniej. Ciepło oddziela wodę od substancji organicznej, co powoduje różne stężenie substancji rozpuszczalnych po obu stronach koralika.
Gradient (gładkie przejście między dwoma kolorami) nasycenia jest równoważony przez ciecz przepływającą wzdłuż kulistej powierzchni przezroczystej do czarnej. Podobnie jak w łodzi wiosłowej, która, aby się poruszyła, trzeba pociągnąć wiosło w przeciwnym kierunku, tak cząstki pływają w cieczy skierowane przejrzystą częścią do przodu i obracają się, aż czarna plamka jest skierowana w stronę światła.
Jednakże, jeśli natężenie oświetlenia spada poniżej określonej wartości, mechanizm ten nie działa. Aby rozwiązać ten problem, a poruszanie się mikro-pływaków nie zawiodło na długich dystansach, stworzono system składający się z lasera, soczewki i lustra do generowania światła w polu pływaka z obszarami zmniejszonej i zwiększonej jasności.
Fakt, że układ jako całość jest prosty, pozwala na interesujące zastosowania. "Z łatwością można produkować miliony tych mikro-pływaków" - mówi Bechinger. Takie niezawodne, sterowane mikrocząstki mogą być stosowane do modelowania zachowań u różnych gatunków.
A ponieważ mechanizm orientacji opracowany przez badaczy działa nie tylko na podstawie światła i ciemności, ale także w gradiencie stężeń chemicznych, na przykład w pobliżu nowotworów, wizja wytwarzania robotów wielkości komórek krwi otwiera możliwości do wykrywania i leczenie uszkodzeń, takich jak nowotwory.
Nie czekaj na wizytę u lekarza. Skorzystaj z konsultacji u specjalistów z całej Polski już dziś na abcZdrowie Znajdź lekarza.