محققان از قطرات روغن برای کشف مکانیسم‌های ناوبری میکروشناگرهای بیولوژیکی استفاده می‌کنند



باکتری ها و سایر موجودات تک سلولی با وجود ساختارهای نسبتاً ساده، راه های پیچیده ای را برای حرکت فعالانه در مسیر خود ایجاد کردند. برای آشکار کردن این مکانیسم‌ها، محققان موسسه ماکس پلانک برای پویایی و خود سازمان‌دهی (MPI-DS) از قطرات روغن به‌عنوان مدلی برای میکروشناگرهای بیولوژیکی استفاده کردند. کورینا ماس، رهبر گروه در MPI-DS و دانشیار دانشگاه توئنته، همراه با همکارانش، استراتژی‌های ناوبری میکروشناگرها را در چندین مطالعه بررسی کردند: چگونه آنها در برابر جریان در کانال‌های باریک حرکت می‌کنند، چگونه بر حرکت خود تأثیر می‌گذارند. ، و چگونه آنها به طور جمعی شروع به چرخش می کنند تا حرکت کنند.

برای زنده ماندن، موجودات بیولوژیکی باید به محیط خود واکنش نشان دهند. در حالی که انسان ها یا حیوانات دارای یک سیستم عصبی پیچیده برای درک محیط اطراف خود و تصمیم گیری آگاهانه هستند، موجودات تک سلولی استراتژی های مختلفی را توسعه دادند. در زیست شناسی، موجودات کوچک مانند انگل ها و باکتری ها به عنوان مثال از طریق کانال های باریک مانند رگ های خونی حرکت می کنند. آنها اغلب این کار را به شیوه ای منظم و نوسانی بر اساس برهمکنش های هیدرودینامیکی با دیواره محدود کننده کانال انجام می دهند.

در آزمایش‌های خود، می‌توانیم مدل نظری را تأیید کنیم که پویایی خاص میکروشناگر را بر اساس اندازه آن و تعامل با دیواره کانال توصیف می‌کند.


کورینا ماس، محقق اصلی این مطالعات

این الگوهای حرکتی منظم همچنین می‌تواند برای ایجاد مکانیسم‌هایی برای تحویل هدفمند دارو، حتی حمل و نقل محموله در برابر جریان، همانطور که در مطالعه قبلی نیز نشان داده شده است، استفاده شود.

دنباله ای از سوخت مصرف شده

در مطالعه دیگری، محققان بررسی کردند که چگونه شناگرهای متحرک بر یکدیگر تأثیر می گذارند. در مدل آزمایشی آنها، قطرات کوچک روغن در محلول صابونی به طور مستقل با جوانه زدن مقادیر کمی از نیروی محرکه تولید کننده نفت حرکت می کنند. ریزشناگرها مانند هواپیمایی که ردپایی از خود به جای می گذارد، ردی از سوخت مصرف شده تولید می کنند که می تواند دیگران را دفع کند. به این ترتیب، میکروشناگرها می‌توانند تشخیص دهند که شناگر دیگری مدتی قبل در همان مکان بوده است یا خیر. بابک وجدی حکم‌آباد، نویسنده اول این مطالعه، گزارش می‌دهد: «جالب است که این باعث ایجاد یک حرکت خود اجتنابی برای ریزشناگران می‌شود، در حالی که مجموعه‌ای از آنها باعث می‌شود که قطرات بین مسیرهای همدیگر محبوس شوند». دفع قطره دوم در مسیر قطره ای که قبلاً عبور کرده است به زاویه نزدیک شدن آن و زمان سپری شده پس از اولین شناگر بستگی دارد. این یافته های تجربی همچنین کار نظری در این زمینه را که قبلا توسط رامین گلستانیان، مدیر عامل MPI-DS انجام شده بود، تأیید می کند. این تحقیق در محدوده مرکز ماکس پلانک برای دینامیک سیالات پیچیده، یک مرکز تحقیقاتی مشترک متشکل از MPI-DS، MPI برای تحقیقات پلیمر و دانشگاه Twente انجام شد.

حرکت جمعی از طریق همکاری

در نهایت، این گروه همچنین رفتار هیدرودینامیکی جمعی ریزشناگران را بررسی کردند. آنها دریافتند که قطرات متعدد می توانند خوشه هایی را تشکیل دهند که به طور خود به خود مانند هاورکرافت شروع به شناور شدن می کنند یا مانند هلیکوپترهای میکروسکوپی بالا می روند و می چرخند. چرخش خوشه بر اساس جفت شدن مشترک بین قطرات فردی است که منجر به رفتار هماهنگ می شود – اگرچه قطرات فردی به تنهایی چنین حرکتی را شامل نمی شود. بنابراین، این ترتیبات، اصل فیزیکی دیگری را نشان می دهد که چگونه ریزشناگران می توانند مسیر خود را بدون استفاده از مغز یا ماهیچه طی کنند.

منبع:

موسسه ماکس پلانک برای پویایی و خود سازماندهی



منبع