I batteri possono muoversi attivamente verso una fonte di nutrienti, un fenomeno noto come chemiotassi, e possono muoversi collettivamente in un processo noto come sciamatura. Scienziati cinesi hanno ridisegnato la chemiotassi collettiva creando modelli artificiali di nanonuotatori da nanoparticelle d'oro modificate chimicamente e biochimicamente. Il modello potrebbe aiutare a comprendere le dinamiche della motilità chemiotattica in uno sciame batterico, conclude lo studio pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie .

Cosa causa la sciamatura, e se tale comportamento collettivo può essere tradotto in sistemi intelligenti artificiali, è attualmente un argomento di intensa ricerca scientifica. È noto che i batteri che nuotano in un branco denso sentono il fluido circostante in modo diverso da un singolo nuotatore. Ma fino a che punto i nuotatori sono accelerati in uno sciame, e quali altri fattori giocano un ruolo, è ancora poco chiaro. Il chimico colloidale Qiang He presso l'Harbin Institute of Technology, Cina, e i suoi colleghi, hanno ora costruito un semplice modello artificiale di nanonuotatori simili a batteri. Hanno osservato il comportamento chemiotattico attivo e la formazione dei nuotatori in uno sciame distintamente in movimento.

Lui ei suoi colleghi hanno costruito i loro nuotatori artificiali da minuscole sfere d'oro. Con una dimensione 40 volte più piccola di un normale batterio, le nanoparticelle d'oro erano al di sotto del limite di rilevamento del microscopio. Però, grazie a un fenomeno di diffusione della luce chiamato effetto Tyndall, gli scienziati hanno potuto osservare cambiamenti più grandi nella soluzione contenente i nuotatori, anche ad occhio nudo. Utilizzando altre tecniche analitiche, hanno anche risolto la velocità, orientamento, e concentrazione delle particelle in modo più dettagliato.

Gli scienziati si divertono a lavorare con le nanoparticelle d'oro perché le minuscole sfere formano una struttura stabile, soluzione dispersa, sono facilmente osservabili al microscopio elettronico, e le molecole possono essere attaccate ad essi con relativa facilità. Lui e il suo team hanno prima caricato la superficie di grandi sfere di silice con particelle d'oro. Quindi hanno attaccato spazzole polimeriche sul lato esposto delle sfere d'oro. Queste spazzole erano fatte di catene polimeriche, e con una lunghezza fino a 80 nanometri, rendevano le particelle d'oro altamente asimmetriche.

I ricercatori hanno sciolto il vettore di silice e legato un enzima sul lato esposto delle sfere d'oro in modo che le nanoparticelle risultanti fossero coperte con spazzole polimeriche lunghe e spesse su un lato e con l'enzima sull'altro. In presenza di ossigeno, l'enzima glucosio ossidasi decompone il glucosio in un composto chiamato acido gluconico.

Per determinare se i nanonuotatori nuoterebbero attivamente in una determinata direzione, gli autori li hanno posizionati a un'estremità di un piccolo canale e hanno posizionato una fonte di glucosio permanente all'altra estremità. Analogamente ai batteri viventi, i nuotatori modello hanno viaggiato attivamente lungo il gradiente di glucosio verso la fonte di glucosio. Questo fatto da solo non era sorprendente in quanto guidato enzimaticamente, i nuotatori semoventi sono noti per esperimento e teoria. Ma gli autori potrebbero anche rilevare il comportamento di sciamatura. Le nanoparticelle asimmetriche si sono condensate in una fase separata che si è mossa collettivamente lungo il gradiente di nutrienti.

Gli autori immaginano che i nanonuotatori potrebbero essere ulteriormente sviluppati come modelli fisici preziosi e facilmente accessibili per studiare il comportamento chemiotattico e sciame di esseri viventi o non viventi su scala nanometrica.