Ученые использовали световые узоры, чтобы контролировать скорость плавания бактерий и направлять их в различные формы, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале eLife.
Контролировать бактерии таким образом означает, что их можно будет использовать в качестве микрокирпичиков для создания следующего поколения микроскопических устройств. Например, их можно заставить окружить более крупный объект, такой как часть машины или носитель наркотиков, а затем использовать в качестве живых пропеллеров для его транспортировки туда, где это необходимо.
Бактерии Escherichia coli (E. coli) известны как фантастические пловцы. Они могут перемещаться на расстояние, в десять раз превышающее их длину, за секунду. У них есть пропеллеры, которые приводятся в действие двигателем, и они обычно перезаряжают этот двигатель с помощью процесса, для которого требуется кислород. Недавно ученые обнаружили белок (протеородопсин) в обитающих в океане бактериях, который позволяет им приводить в действие свои пропеллеры с помощью света. Создав другие типы бактерий, чтобы они содержали этот белок, можно поместить «солнечную панель» на каждую бактериальную клетку и дистанционно контролировать скорость ее плавания с помощью света.
«Подобно пешеходам, которые замедляют свою скорость, когда они сталкиваются с толпой, или автомобилям, застрявшим в пробке, плавающие бактерии проводят больше времени в более медленных регионах, чем в более быстрых», - объясняет ведущий автор Джакомо Франджипане. Постдокторант Римского университета, Италия. «Мы хотели использовать это явление, чтобы посмотреть, сможем ли мы изменить концентрацию бактерий с помощью света."
Для этого Франжипейн и его команда направили свет от проектора через линзу микроскопа, формируя свет с высоким разрешением, и исследовали, как бактерии кишечной палочки изменяют свою скорость, проплывая через области с разной степенью освещения.
Они равномерно проецировали свет на слой бактериальных клеток в течение пяти минут, прежде чем подвергнуть их воздействию более сложного светового узора - негативного изображения Моны Лизы. Они обнаружили, что бактерии начали концентрироваться в темных областях изображения, перемещаясь из более освещенных областей. Через четыре минуты можно было увидеть узнаваемую бактериальную копию картины Леонардо да Винчи с более яркими областями, соответствующими областям скопления бактериальных клеток.
Хотя форма, сформированная бактериями, была узнаваема, команда обнаружила, что сконструированная кишечная палочка медленно реагировала на изменения освещения, что приводило к размытому формированию формы-мишени. Чтобы исправить это, они использовали цикл управления с обратной связью, в котором форма бактерии сравнивается с целевым изображением каждые 20 секунд, и световая картина обновляется соответствующим образом. Это создало оптимальную световую картину, которая сформировала концентрацию клеток с гораздо большей точностью. В результате получается «фотокинетический» слой бактериальных клеток, который можно превратить в почти точную копию сложного черно-белого целевого изображения.
«Мы показали, как суспензия плавающих бактерий может привести к новому классу управляемых светом активных материалов, плотность которых можно точно, обратимо и быстро формировать с помощью маломощного светового проектора», - говорит Роберто Ди Леонардо., доцент кафедры физики Римского университета. «При дальнейшей разработке бактерии можно будет использовать для создания прочных биомеханических структур или новых микроустройств для транспортировки небольших биологических грузов внутри миниатюрных лабораторий».