Искусственные микро-пловцы работают вместе, как бактерии

Микроскопические пловцы, такие как бактерии, не всегда плавают в одиночку. Существуют преимущества в обмене информацией и кооперации. Стефания Кетцетци и её коллеги теперь показывают в Nature Communications, что созданные человеком микро-пловцы тоже могут сотрудничать.

Кооперативное движение лежит в основе некоторых по-настоящему сложных форм поведения микроорганизмов. Например, бактерии сотрудничают для захвата питательных веществ, раковые клетки общаются, чтобы ускорить рост опухолей, а сперматозоиды могут собираться в "поезда", чтобы быстрее двигаться к яйцеклетке. Эти взаимодействия становятся возможными благодаря обмену информацией между микроорганизмами.

Микроскопические пловцы, созданные человеком

В лаборатории учёные могут создавать подобных пловцов. Эти искусственные микро-пловцы стали мощным инструментом для изучения, понимания и использования движения на микроскопическом уровне. Интересно, что они также могут работать вместе в присутствии других пловцов или поверхностей.

«В нашей работе нас интересовало, как искусственные микро-пловцы ведут себя, когда сталкиваются с определёнными поверхностями», — говорит Кетцетци, исследовавшая эту тему во время своей докторской диссертации в Лейденском университете. Вместе со своей коллегой Мелиссой Риналдин она изучала движение микроскопических сфер вблизи ограничивающих поверхностей.

Просто продолжайте вращаться

Частично покрывая сферы платиной и помещая их в воду с перекисью водорода (H₂O₂), сферы начинают двигаться из-за химической реакции, происходящей на платиновой стороне. Кетцетци: «Затем мы помещаем эти самодвижущиеся сферы в контейнер с микроскопическими 3D-печатными столбиками. Когда пловец наталкивается на один из столбиков, он прикрепляется к нему и продолжает двигаться вокруг него очень долгое время».

Это явление уже наблюдалось другими. Но исследователи заметили нечто интересное, когда несколько сфер двигались вокруг одного и того же столбика: если они двигались в одном направлении, они работали вместе, чтобы двигаться быстрее. Коллективное ускорение, подобное сотрудничеству, найденному в природе.

Или, если пловцы двигались в противоположных направлениях вокруг одного столбика, они останавливали друг друга. Пара таких пловцов могла оставаться неподвижной долгое время, создавая пробку для других пловцов, вращающихся по орбите. После «перетягивания каната» цепочка снова начинала двигаться. Но только если было по крайней мере два дополнительных пловца, толкающих с одной или другой стороны.

Подобные кооперативные движения могут быть актуальны в будущих приложениях, где искусственным пловцам потребуется выполнять задачи, перемещаясь и взаимодействуя с ограничивающей средой. Кетцетци: «Например, в биомедицинских приложениях, где ожидается, что искусственные микро-пловцы будут играть большую роль, кооперативное поведение может обеспечить более быструю доставку лекарств».