Le amebe sono creature insolite che si formano quando una popolazione dispersa di cellule si riunisce spontaneamente e si riorganizza in un organismo macroscopico multicellulare. Per fare questo, alcune cellule leader emettono impulsi chimici che fanno muovere le altre singole cellule nella direzione opposta a quella degli impulsi di viaggio, portando alla formazione di densi grappoli.

L'osservazione che le cellule dell'ameba si muovono contro l'onda viaggiante, che è chiamato il "paradosso dell'onda diffondente, " ha lasciato perplessi i ricercatori per molto tempo. Questo perché questo movimento differisce dal comportamento abituale dell'ameba quando cerca cibo in un ambiente labirintico. In questi scenari, i segnali chimici sono statici anziché pulsati, e le cellule di ameba si muovono verso le concentrazioni chimiche più elevate.

La capacità delle cellule dell'ameba di muoversi a volte contro un'onda chimica in viaggio suggerisce che le cellule possiedono una sorta di memoria. Però, in un nuovo studio, Celia Lozano e Clemens Bechinger all'Università di Costanza, Germania, hanno dimostrato lo stesso comportamento nelle microparticelle quando illuminate da impulsi luminosi di velocità variabile. Poiché le microparticelle sono prive di memoria, il comportamento in questo caso deve essere spiegato da un meccanismo che non dipenda dalla memoria.

"Nonostante non abbia cervello, i micronuotatori sintetici sono in grado di imitare alcuni comportamenti sofisticati degli organismi viventi, in particolare, la loro risposta agli impulsi in corsa è simile (anche se di origine molto diversa), "Bechinger ha detto Phys.org . "In vista delle future applicazioni dei micronuotatori come microrobot autonomi, sarà importante coordinare e sincronizzare il loro comportamento. Il paradosso dell'onda diffondente può svolgere un ruolo importante in questo contesto".

Sebbene le simulazioni numeriche abbiano previsto che le microparticelle semoventi chiamate particelle attive sono in grado di muoversi sia lungo che contro un impulso in movimento, il nuovo studio segna la prima volta che questo comportamento è stato dimostrato sperimentalmente.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato particelle sferiche rivestite per metà da un cappuccio di carbonio e poste in un liquido viscoso. Quando illuminato dalla luce, le particelle si spingono in avanti con il cappuccio davanti. I ricercatori hanno dimostrato che il movimento delle particelle attive in relazione a un impulso dipende dalla velocità dell'impulso. A basse velocità di impulso, le particelle hanno abbastanza tempo per riorientarsi, se necessario, in modo che i loro cappucci siano rivolti nella stessa direzione di quella degli impulsi di marcia. Questo orientamento assicura che le particelle viaggino nella stessa direzione degli impulsi.

Ad alte velocità di impulso, d'altra parte, gli impulsi arrivano troppo velocemente perché le particelle si riorientino prima che arrivi il successivo. Questo perché la velocità di rotazione delle particelle è limitata dall'attrito del liquido viscoso. Quindi, se i cappucci delle particelle sono inizialmente rivolti verso gli impulsi in arrivo, le particelle si muoveranno contro la direzione degli impulsi di viaggio, simile al comportamento dell'ameba nel paradosso dell'onda diffondente.

Questo metodo apre le porte a un nuovo tipo di strategia di guida per guidare le particelle attive in due possibili direzioni. Attualmente, la maggior parte delle strategie di governo dipende da strutture ottiche topografiche o statiche, che consentono solo il controllo del movimento delle particelle in un'unica direzione.

Oltre allo sterzo, i ricercatori hanno anche dimostrato che il nuovo approccio potrebbe essere utilizzato per l'ordinamento delle particelle attive. Come esempio, hanno dimostrato che, poiché le particelle grandi possono orientarsi più velocemente di quelle più piccole, l'uso di velocità di impulso intermedie consente di guidare le particelle grandi nella direzione dell'onda e le particelle più piccole nella direzione opposta, in media.

Sebbene i meccanismi siano diversi per le particelle attive e l'ameba, entrambi i sistemi mostrano il comportamento del paradosso dell'onda diffondente. Nel caso delle particelle sintetiche, il comportamento potrebbe un giorno portare alla progettazione di sistemi micro-robotici in grado di realizzare movimenti controllati complessi, pur avendo limitate capacità di elaborazione del segnale.

"Possibile applicazione dei micronuotatori è caricarli di farmaci, che vengono poi consegnati in luoghi specifici, " Bechinger ha detto. "A causa del loro movimento attivo diretto, tale rilascio mirato di farmaci può essere realizzato in modo molto più efficiente rispetto al movimento puramente diffusivo. In un modo simile, i nuotatori sintetici possono anche essere dotati di meccanismi di rilevamento, per esplorare ambienti liquidi. Finalmente, sono in corso i lavori per assemblare i micronuotatori, come ingranaggi o piccoli motori, che possono eseguire lavori meccanici su scale di piccola lunghezza."

© 2019 Scienza X Rete