Fyysikot saivat bakteerit uimaan lähes täydellisissä riveissä

Aalto-yliopiston tutkijat ovat löytäneet keinon käyttää magneettikenttiä uivien bakteerien liikkeen ohjaamiseen. Tutkijat uskovat, että menetelmästä on hyötyä muun muassa tulevaisuuden materiaalikehityksessä.

Arvostetussa Communications Physics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tutkijat sekoittivat sauvamaisia bakteereita nesteeseen, jossa on miljoonittain magneettisia nanohiukkasia. Kun tutkijat kytkivät magneetin päälle ja loivat sen avulla magneettikentän, bakteerit kääntyivät ja järjestyivät magneettikentän suuntaiseen jonoon.

“Olemme onnistuneet hallitsemaan täysin tavanomaisia Bacillus subtilis -bakteereja magneettikentän avulla. Bakteerit eivät siis itsessään ole magneettisia, kuten jotkut erittäin harvinaiset magnetotaktiset bakteerilajit”, tarkentaa apulaisprofessori Jaakko Timonen. 

Tavallisten bakteerien kääntyminen ja järjestyminen magneettikentässä johtui magneettisen nesteen kautta niihin välittyvistä voimista. Magneettikentän voimakkuus ohjasi bakteerien järjestymisen tasoa nesteessä: Kun magneetit olivat pois päältä, bakteerit uivat ympäriinsä sattumanvaraisesti. Kun tutkijat lisäsivät magneettikentän voimakkuutta, bakteerit asettuivat yhä enemmän ja enemmän linjaan. Lopulta ne uivat lähes täydellisissä riveissä.

Bakteerit aiheuttavat mikroskooppisia turbulenssin kaltaisia virtauksia

Myös bakteerien määrällä oli merkitystä sille, kuinka voimakas magneettikenttä niiden ohjailuun tarvittiin. Kun bakteerien tiheys nesteessä oli suuri, tarvittiin voimakkaampi magneettikenttä. Tämä johtuu siitä, että uivat bakteerit luovat nesteeseen turbulenssin kaltaisia virtauksia. Kun bakteereja on paljon, nämä virtaukset ovat voimakkaita ja niiden hillitsemiseksi tarvitaan myös voimakkaampi magneettikenttä. 

“Bakteerien aiheuttamia virtauksia kutsutaan aktiiviseksi turbulenssiksi, koska ne pitävät sisällään turbulenssille tyypillisiä kuvioita kuten erilaisia pyörteitä. On kuitenkin tärkeää ymmärtää, että bakteerien aiheuttama niin sanottu aktiivinen turbulenssi on eri asia kuin esimerkiksi lentomatkustamisesta tuttu turbulenssi”, tarkentaa Timonen.  

Monet muutkin liikkuvat organismit synnyttävät samanlaista turbulenssia. Bakteerien lisäksi tällaisia soluja ovat esimerkiksi sperma ja jotkin epiteelisolut. Ilmiö on havaittu myös eräillä biomolekyyleillä. Juurikin sen yleisyyden takia aktiivisen turbulenssin tutkiminen on erityisen kiinnostavaa.

"Aktiivinen turbulenssi on tärkeä tutkimusaihe aktiivisen aineen fysiikassa. Tutkimuksessamme käytetty nesteen ja magneettisten nanopartikkelien seos, johon bakteerit on lisätty, on erinomainen väline sen tutkimiseen. Menetelmäämme voi siis soveltaa myös moniin muihin systeemeihin kuin vain bakteerien järjestymiseen", selittää tutkijatohtori Kazusa Beppu.

Aktiivisella aineella tarkoitetaan materiaaleja, jotka koostuvat useista itsenäisesti toimivista mutta keskenään vuorovaikutuksessa olevista partikkeleista tai muista osasista. Tällaisille materiaaleille voi tulevaisuudessa löytyä sovelluksia muun muassa liikettä tuottavista biologisista moottoreista mikrorobotteihin, joita käytettäisiin lääkkeiden kuljettamiseen kehon sisällä. Näissä mikroskooppisen mittakaavan sovelluksissa oleellista on, että materiaalin osasten kollektiivista käyttäytymistä pystytään säätelemään ulkoapäin.