23. marts 2020

Jetstrømme af bakterier transporterer mikroskopiske pakker

Biocompleksitet:

Det er en gammel udfordring at forsøge at få biologiske systemer til at udføre specifikke opgaver. I en ny publikation i Nature Physics har forskere fra Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet i samarbejde med forskere fra USA og England nu publiceret resultater, der viser, at de er lykkedes med lige præcis dét. De har fundet en metode til at opnå kontrol over bakterier, og få dem til at transportere en mikroskopisk last. Bakterier udgør den største biomasse i verden, større end alle dyr og planter tilsammen, og de er i konstant bevægelse. Men deres bevægelsesmønstre er kaotiske. Forskerne forfulgte antagelsen, at hvis disse bevægelsesmønstre kunne kontrolleres, kunne de måske udvikle den til et biologisk værktøj. De benyttede flydende krystaller til at diktere retningen på den bakterielle bevægelse, og tilføjede endda en mikroskopisk last på mere end 5 gange bakteriernes egen størrelse, som bakterierne skulle transportere.


Video: En jetstrøm af bakterier transporterer en mikroskopisk last. Flydende krystal skaber et spor for bakterierne, så fluktuationer undgås, og der skabes retning på strømmen. Video: Mr. Taras Turiv, Advanced Materials and Liquid Crystal Institute, KSU

Jernbanekonstruktion i bakterieskala

Amin Doostmohammadi, adjunkt ved Niels Bohr Institutet, forklarer, at der tidligere har været videnskabelige forsøg på at styre bakteriers opførsel. Men han og hans kolleger valgte en ny indgangsvinkel: ”Vi spekulerede på, om ikke vi kunne skabe et spor for bakterierne? Den metode vi anvender eksperimentelt er at placere bakterierne inde i en flydende krystal. Tricket er, at en flydende krystal ikke er helt ligesom en krystal, og den er heller ikke helt flydende, dens egenskaber ligger et eller andet sted midt i mellem. Hvert molekyle i krystallen har en retning, men ikke en låst position. Det betyder, at molekylerne kan flyde som i en væske, men samtidig kan de også lægge sig på linje. Det er nøjagtig den samme fysik, som gør sig gældende i monitors med flydende krystaller (LCD) i fjernsyn, computerskærme og mobiltelefoner. Man kan præparere de underliggende flydende krystaller, så de følger et veldefineret mønster. Bakterierne vil dermed orientere sig i samme retning. Mønsteret forhindrer ikke bakteriernes bevægelser, det orienterer dem bare i den retning vi gerne vil have dem til at bevæge sig”.

Mønsterdesign og modelbyggeri

Stærke jetstrømme af bakterier, der bevæger sig i en forudbestemt retning uden fluktuationer, er det vigtigste resultat af eksperimentet, ifølge Amin Doostmohammadi. Det, der almindeligvis sker, hvis en jetstrøm af bakterier er stærk nok til at kunne anvendes, er at koncentrationen er nødt til at være høj, og dermed begynder strømmens bevægelse at blive ustabil. Den bliver tilfældig og kaotisk. Men i et mønster defineret af en flydende krystal kan ustabiliteten i det store og hele kontrolleres og jetstrømmene dermed forhindres i at blive kaotiske. Mønsteret dikterer retning. Dermed bliver det muligt at danne jetstrømme af bakterier, der er stærke nok til at bære en mikroskopisk last, endda 5 gange større end bakterierne selv. 

Et videnskabeligt felt, der ekspanderer – stadig flere potentialer viser sig i horisonten

Gennem de seneste 10 år har dette videnskabelige felt ekspanderet. I øjeblikket er det muligt at kontrollere bakterier i ret stort omfang og den såkaldte ”aktive materie” – bakterierne, kan bringes til at rotere eller danne bestemte mønstre. Med den nye tilgang kan bakterier så yderligere stabiliseres rumligt, så de kan bære førnævnte last afsted. ”Vi er stadig på et eksperimentelt stadie, og der er ikke endnu et veldefineret anvendelsesområde for den nye teknik. I øjeblikket er den primære motivation medicinsk anvendelse. Men hvis man virkelig tænker over det, har vi at gøre med et helt nyt materiale. Vi kender den flydende krystal fra før, men nu har vi faktisk en levende, flydende krystal”, siger Amin Doostmohammadi. ”Man kan forestille sig en lang række muligheder indenfor materialevidenskab med en levende, flydende krystal. Måske kan resultaterne overføres til andre systemer, celle-opførsel eller sæd-opførsel osv. Som teoretisk fysiker, tænker jeg på de grundlæggende, videnskabelige implikationer, men evnen til at fx at levere et medikament via bakteriel transport, det er noget helt nyt. Det er værd at bemærke, at når man leverer et medikament på denne måde, så behøver man ingen ekstern kraft. Bakterierne gør alt arbejdet – de opfører sig som en selvpumpende væske, så at sige”.

Teori og eksperimenter er uløseligt forbundet

Resultaterne er opnået i et samarbejde med andre forskergrupper. To samarbejdspartnere i USA, Oleg Lavrentovich på Kent State University og Igor Aranson på Penn State University påbegyndte denne forskningsgren i 2014. Nu har de dannet samarbejdsteams med Amin Doostmohammadi på Niels Bohr Institutet og Julia Yeomans på University of Oxford. Teori og praksis gør dermed fælles front i forsøget på at designe og kontrollere stærke, bakterielle jetstrømme. ”Vi kan have en nok så god, teoretisk ide, men det er koblingen mellem teori og eksperiment, der fører til disse lovende resultater”, siger Amin Doostmohammadi.

Link til den videnskabelige artikel: https://rdcu.be/b2pg9