Site Sponsors
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
Posted in | Nanofluidics

Mikroskopiske organismer Omrøring Væsker Bemerkelsesverdig raskt og effektivt

Published on November 4, 2009 at 5:11 PM

I studier av bevegelse av bittesmå svømme bakterier, forskere ved US Department of Energy i Argonne National Laboratory fant at mikroskopiske organismer kan røre væsker bemerkelsesverdig raskt og effektivt. Som et resultat, kan den bakterielle flageller oppfører seg som små motorer å blande kjemikalier i biomedisinsk kits, blant andre programmer.

Dette bildet viser 3-D konsentrasjonen distribusjon av svømming bakterien Bacillus subtilis i tynn væske film innhentet av optisk koherens tomografi.

Igor Aronson, en Argonne materialer vitenskapsmann, og Andrej Sokolov, en tidligere graduate student fra Illinois Institute of Technology og nå postdoktor ved Princeton University, stablet Bacillus subtillis bakterier i tynne filmer for å dekode fysikken som styrer hvordan de beveger seg. Bakteriene, hver utstyrt med mange små flageller, eller mynt, skutt frem og tilbake over filmene.

Omtrent fem mikrometer lange, bakterier typisk svømmer rundt 20 mikrometer per sekund. Pakket sammen, svømmer de fortere opp til 100 mikrometer per sekund. "Skalert til menneskelig størrelse, er det som hastigheten på et tog," Aronson sa. "De er som små torpedoer."

To mekanismer styrer bevegelsene av bakterier i filmer. Som mennesker, trenger B. subtillis oksygen for å overleve. I en overfylt film, oksygennivå bli oppbrukt, sender bakterier svømme opp til overflaten for en jafs av oksygen og så tilbake ned igjen: et fenomen som kalles bioconvection.

Bakteriell bevegelse er også diktert av et prinsipp som kalles hydrodynamisk entrainment. Bakterier som stier krysser en tendens til fysisk tiltrekker hverandre, og de paret seg for å reise i tandem over hele feltet.

Sokolov og Aronson hadde tidligere utviklet en teknikk de kalte "bakterier crowd control", en metode for å konsentrere seg bakterier som bruker en mild elektrisk strøm for å tvinge bakterier tettere sammen. De så at konsentrert bakterier selv organisere inn i store "skoler" som svømmer i synch-svermer av bakterier flytte sammen, kontrollert av den enkle fysiske lover.

I denne studien ønsket forskerne å se om den livskraftige svømming ville blande kjemikalier jevnt over væsken. "De svømmer så fort at vi fant ingen signifikant gradienter av noen kjemiske unntatt oksygen," Aronson sa.

Og noen oksygen blanding skjedde: bakteriene forbedret spredningen av 100-fold.

En annen overraskelse kom da forskerne begynte å måle viskositeten på væsken der bakterier svømte. Viskositet måler hvor lett en væske strømmer, for eksempel, har honning høyere viskositet enn vann.

Legge mer materie til en væske som gjør vanligvis det tykkere eller mer tyktflytende-for eksempel legge skitt til vann produserer treg, seig gjørme. Så konvensjonell visdom skulle tilsi at å legge mye bakterier til væsken ville øke sin viskositet.

"Men til vår store overraskelse, væsken faktisk ble mye mindre viskøs-med en faktor på sju," Aronson sa. Tusenvis av små motorer slår bakteriene faktisk hjelpe væsken til å flyte.

Aronson mener at bakterier kan bli rekruttert som små mikro-motorer for en rekke fremtidige søknader. For eksempel kan bakteriell miksere kombinere små mengder væske for tester og prøver. Den tinier en prøve er, jo vanskeligere blir det å blande; forsøker å kombinere små prøver er vanskelig på grunn av dette. For små, portable on-the-go medisinsk testing kits, som trenger å blande små mengder kjemikalier, kunne et snev av bakterier være magic bullet.

To artikler er referert i denne artikkelen. Papiret "Enhanced miksing og romlig ustabilitet i konsentrert bakteriell suspensjoner" ble publisert i Physical Review E og er tilgjengelig online. Den andre artikkelen, "Reduksjon av viskositet i suspensjon av svømming bakterier", ble publisert i Physical Review Letters, og er tilgjengelig på nettet.

Finansiering for denne forskningen ble gitt av Department of Energy Office of Basic Science.

Last Update: 15. October 2011 19:31

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit