Kristal cair dan bahan hidup bakteri mengatur dirinya sendiri dan bergerak dengan cara mereka sendiri

Anonim

Kaca pintar, lensa transisi, dan cincin suasana hati bukanlah satu-satunya benda yang terbuat dari kristal cair; lendir, slug slime dan membran sel juga mengandung mereka. Sekarang, tim peneliti mencoba untuk lebih memahami bagaimana kristal cair, dikombinasikan dengan bakteri, membentuk bahan hidup dan bagaimana keduanya berinteraksi untuk mengatur dan bergerak.

"Salah satu gagasan yang kami temukan adalah materi yang hidup, " kata Igor S. Aronson, pemegang Huck Chair dan Profesor Teknik Biomedis, Kimia dan Matematika. Materi hidup, materi aktif mungkin penyembuhan diri dan mengubah bentuk dan akan mengubah energi menjadi gerakan mekanis. "

Bahan hidup Aronson sedang mengeksplorasi menggunakan model komputasi prediksi dan eksperimen terdiri dari bakteri — Bacillus subtilis — yang dapat bergerak cepat menggunakan flagella panjang dan kristal cair nematik — disodium cromoglycate. Kristal cair sebagai bahan duduk di suatu tempat antara cairan dan padat. Dalam hal ini, molekul-molekul dalam disodium cromoglycate berbaris dalam baris paralel panjang, tetapi tidak tetap pada tempatnya. Mampu bergerak, mereka tetap berorientasi hanya pada satu arah kecuali terganggu.

Menurut Aronson, jenis kristal cair ini sangat mirip dengan bidang yang dibelah lurus dengan punggungan molekul-molekul dan alur-alur di antaranya.

Sebelumnya para peneliti menemukan bahwa bakteri kecil ini dalam bahan kristal cair dapat mendorong kargo - partikel kecil - melalui saluran dalam kristal cair dan bergerak empat kali panjang tubuh mereka ketika dalam konsentrasi kecil, tetapi secara konservatif, pada 20 kali panjang tubuh mereka saat dalam jumlah besar.

"Properti yang muncul dari kombinasi kristal cair dan bakteri adalah bahwa pada sekitar konsentrasi bakteri 0, 1 persen per volume kita mulai melihat respon kolektif dari bakteri, " kata Aronson.

Jenis material yang hidup ini tidak hanya merupakan kombinasi dari dua komponen, tetapi kedua bagian tersebut menciptakan sesuatu dengan sifat optik, fisik atau listrik yang tidak biasa. Namun, tidak ada hubungan langsung antara bakteri dan cairan. Model komputer peneliti menunjukkan perilaku kolektif dalam sistem mereka mirip dengan yang terlihat dalam kombinasi kristal / bakteri yang sebenarnya.

Model komputasi prediktif untuk sistem bakteri kristal cair ini menunjukkan perubahan dari saluran paralel lurus ketika hanya ada populasi bakteri kecil, ke konfigurasi yang lebih kompleks, terorganisasi, aktif ketika populasi bakteri lebih tinggi. Sementara pola selalu berubah, mereka cenderung membentuk cacat pointer — bentuk panah — yang berfungsi sebagai perangkap dan memusatkan bakteri di suatu area, dan cacat segitiga yang menjauhkan bakteri dari area tersebut. Peningkatan konsentrasi bakteri meningkatkan kecepatan bakteri dan konfigurasi di daerah dengan populasi bakteri yang lebih tinggi berubah lebih cepat daripada di daerah dengan bakteri yang lebih sedikit. Aronson dan timnya melihat bahan hidup kristal cair yang sebenarnya dengan cara yang sedikit berbeda dari sebelumnya. Mereka ingin film tipis-kristal cair menjadi independen, tidak menyentuh permukaan apa pun, jadi mereka menggunakan alat yang menciptakan film — dengan cara yang mirip dengan yang digunakan untuk membuat gelembung sabun besar — ​​dan menahannya dari kontak permukaan. Pendekatan ini menunjukkan pola cacat dalam struktur material.

Percobaan dengan film tipis dari kristal cair dan bakteri menghasilkan hasil yang sama seperti model komputasi, menurut para peneliti.

Efek lain yang ditemukan para peneliti adalah ketika oksigen dikeluarkan dari sistem, aksi material yang hidup itu berhenti. Bacillus subtilis biasanya ditemukan di tempat dengan oksigen, tetapi dapat bertahan hidup di lingkungan tanpa oksigen. Bakteri dalam materi hidup tidak mati, mereka berhenti bergerak sampai oksigen kembali hadir.

Para peneliti melaporkan dalam Physical Review X bahwa "temuan mereka menunjukkan pendekatan baru untuk menjebak dan transportasi bakteri dan perenang sintetis dalam cairan anisotropik dan memperluas lingkup alat untuk mengendalikan dan memanipulasi objek mikroskopis dalam materi aktif." Karena beberapa zat biologis seperti lendir dan selaput sel kadang-kadang kristal cair, penelitian ini dapat menghasilkan pengetahuan tentang bagaimana zat biologis berinteraksi dengan bakteri dan mungkin memberikan wawasan tentang penyakit karena penetrasi bakteri dalam lendir.

menu
menu