È una sfida di vecchia data essere in grado di controllare i sistemi biologici per eseguire compiti specifici. In un articolo pubblicato su Fisica della natura , ricercatori dell'Istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen, in collaborazione con gruppi negli Stati Uniti e nel Regno Unito, ora hanno riferito di fare proprio questo. Hanno trovato un modo per controllare i batteri per trasportare carichi microscopici. I batteri formano la più grande biomassa del mondo, più grande di tutti gli animali e le piante messi insieme, e sono in continuo movimento, ma il loro movimento è caotico. I ricercatori hanno perseguito l'idea che se questo movimento potesse essere controllato, potrebbero essere in grado di trasformarlo in uno strumento biologico. Hanno usato un cristallo liquido per dettare la direzione del movimento batterico, e ha aggiunto un carico microscopico per il trasporto dei batteri, più di cinque volte la dimensione dei batteri.

Costruzione di ferrovie su scala batterica

L'assistente professore Amin Doostmohammadi presso l'Istituto Niels Bohr spiega che in passato, ci sono stati tentativi di controllare il comportamento dei batteri. Ma lui e i suoi colleghi hanno adottato un approccio nuovo:"Abbiamo pensato a noi stessi, che ne dici di creare una traccia per i batteri? Il modo in cui lo facciamo sperimentalmente è mettere i batteri all'interno di un cristallo liquido. Il trucco è che un cristallo liquido non è come un cristallo, né è un liquido, è da qualche parte nel mezzo. Ogni molecola nel cristallo ha un orientamento, ma non ha un ordine posizionale. Ciò significa che le molecole possono fluire come un liquido, ma possono anche allinearsi come un cristallo allo stesso tempo. Questa è esattamente la fisica alla base dei display a cristalli liquidi (LCD) per i televisori, monitor e telefoni cellulari Possiamo preparare il cristallo liquido sottostante in modo che assuma uno schema ben definito. E i batteri si orienteranno nella stessa direzione. Non limita il movimento batterico, li orienta semplicemente nella direzione in cui li vogliamo."

Progettazione di modelli e costruzione di modelli

Forti getti di batteri che si muovono in una direzione designata senza fluttuazioni è il grande risultato dell'esperimento, secondo Amin Doostmohammadi. Cosa succede di solito se i getti di batteri sono abbastanza forti da essere utili, la concentrazione di batteri deve essere alta, e le instabilità in genere iniziano a comparire. Il getto diventa instabile e caotico. Ma nel modello a cristalli liquidi, le instabilità possono essere ampiamente soppresse ed evitare che i getti batterici diventino caotici. Il modello detta la direzione. Ciò significa che è possibile creare getti di batteri abbastanza forti da trasportare file di carichi microscopici, ogni pezzo di carico cinque volte più grande dei batteri stessi.

Un campo scientifico in espansione

Negli ultimi 10 anni circa il campo scientifico si è ampliato. Attualmente, è possibile controllare i batteri in larga misura e la cosiddetta "materia attiva" - i batteri, può essere fatto ruotare o formare diversi modelli. Ora, con questo approccio, i getti batterici possono essere stabilizzati nello spazio in modo da poter trasportare anche carichi microscopici.

"Siamo ancora a un livello sperimentale, e non esiste ancora un'area di utilizzo designata per questa tecnica. Al momento, la motivazione principale sono le applicazioni mediche. Ma veramente, quando ci pensiamo, in realtà stiamo parlando di un tipo di materiale completamente nuovo. Conosciamo il cristallo liquido da prima, ma ora abbiamo a che fare con un cristallo liquido vivente, " Dice Amin Doostmohammadi. "Con questa ricerca puoi immaginare ogni sorta di opportunità nella scienza dei materiali. Forse potrebbe applicarsi ad altri sistemi, al comportamento cellulare o al comportamento degli spermatozoi e così via. Come fisico teorico, Penso alle implicazioni fondamentali in termini di scienza, ma questa capacità di veicolazione del farmaco da parte dei batteri, questo è qualcosa di nuovo. Una cosa degna di nota è che quando si consegna un farmaco in questo modo, non hai bisogno di alcuna forza esterna. I batteri lo fanno da soli. È come un fluido che pompa se stesso. È un fluido autopompante, per così dire."

Teoria ed esperimento sono indissolubilmente legati

I risultati sono stati ottenuti in collaborazione con altri gruppi di ricerca. Due collaboratori negli Stati Uniti, Oleg Lavrentovich alla Kent State University e Igor Aranson alla Penn State University—hanno iniziato questo ramo di ricerca nel 2014. Ora hanno collaborato con Amin Doostmohammadi presso il Niels Bohr Institute e Julia Yeomans presso l'Università di Oxford, esperimenti e teoria si sono uniti per progettare e controllare forti getti batterici. "Potremmo avere un'idea teorica, ma è l'accoppiamento tra teoria ed esperimento che porta effettivamente a questi risultati promettenti, "dice Amin Doostmohammadi.