04.02.2014 | Наука

Жидкие кристаллы с бактериями стали новой формой активного вещества

Идея интегрировать живые организмы в неживой субстрат уже давно казалась привлекательной учёным, исследующим активное вещество (active matter).

Изучение особого типа легко деформируемой мягкой материи, которое сосредоточено на свойствах самодвижущихся взаимодействующих частиц, является важной физической моделью живых систем.

Учёные из университета Кента (Kent State University), Аргоннской национальной лаборатриии (Argonne National Laboratory) и Северо-Западного университета (Northwestern University) представили живой жидкий кристалл (LLC) — новый класс активного вещества с подвижными палочковидными бактериями, помещёнными в среду нетоксичного лиотропного жидкого кристалла.

Исследователи обнаружили, что новый материал обладает широким спектром полезных и подчас удивительных свойств, которые позволяют использовать его как автономный субмикронный биодатчик или микрозонд, а также для визуализации различных структур.

Авторы исследования, доктор Игорь Аронсон (Igor S. Aronson), аспирант Шуан Чжоу (Shuang Zhou), доктор Андрей Соколов и доктор Олег Лаврентович, сообщают: "Когда мы впервые объединили живые бактерии с жидким кристаллом, не было понятно, смогут ли бактерии выжить в такой среде, согласуется ли жидкокристаллическая среда с бактериальной. Для решения этой проблемы пришлось разработать протокол переноса бактерий путём суспендирования жидкого кристалла бактериальной ростовой средой".

Ещё одной проблемой, с которой столкнулись исследователи, стало определение дальнего ориентационного порядка жидкого кристалла и плавательной активности бактерий, которые продемонстрировали сильную связь, резко изменившую индивидуальную и коллективную бактериальную динамику.

"Мы обнаружили, что в среде жидкого кристалла виден бактериальный жгутик, ширина которого составляет всего 20 нанометров, — рассказывает Аронсон. — В частности, мы наблюдали визуализацию двойного лучепреломления, порождённую микропотоком, генерируемым жгутиками. Благодаря жидкокристаллическому двойному лучепреломлению мы смогли увидеть жгутики в поляризованном свете, то есть неинвазивным способом. Такое наблюдение стало возможным благодаря сильной связи между дальним ориентационным порядком жидкого кристалла и бактериальной активности".

В частности, жгутик бактерии вызвал искажения в жидком кристалле в масштабе микрометра из-за ориентационного порядка внутри кристалла — поэтому эти жгутики и видны в поляризованном свете. Предыдущие наблюдения жгутиков были сделаны либо посредством туннельной электронной микроскопии, которая требует сушки бактерий, либо посредством флуоресцентной микроскопии, требующей модификаций бактерий (как правило, маркировки красителем).

При исследованиях наблюдалось динамическое явление, вызванное связью между потоком и ориентационным порядком среды. Например, бактерии следовали локальному нематическому направлению — по мнению Аронсона, это было вызвано сильной анизотропией вязкости в жидком кристалле. Кроме того, Аронсон отмечает, что перемещение перпендикулярно локальному нематическому направлению было бы энергетически не выгодным для микроорганизмов, так как вызывает сильное искажение местного ориентационного порядка.

Учёные также обнаружили, что результаты бактериальной деятельности сказываются на появлении самоорганизующихся структур (например, полос) в первоначально единых жидких кристаллах. Основной причиной возникновения самоорганизованных текстур является конкуренция двух эффектов: жидкий кристалл стремится выстроить бактерии в нематическом направлении, а бактерии генерируют поток в кристалле, который отклоняет его молекулы от их первоначальной ориентации.

"Мы наблюдали постепенное увеличение сложности возникающих самоорганизующихся структур, — рассказывает Аронсон. — Сначала, то есть при очень низких концентрациях бактерий, мы наблюдали появление периодических массивов полос, ориентированных перпендикулярно к исходному нематическому направлению. С увеличением концентраций бактерий мы наблюдали начало дисклинаций — зарождения и распространения дефектов — в массивах полос. Даже при высокой концентрации бактерий в целом текстура была хаотичной, дисклинационные пары появлялись и уничтожались, казалось бы, случайным образом. Подобное состояние известно как активная турбулентность".

Ещё один интересный аспект исследования заключался в том, что с увеличением температуры нематическая и изотропная фазы начинают сосуществовать как вода и лёд. Бактериальные молекулы двигают жгутиками, расщепляя молекулы жидкого кристалла и заставляя его "таять".

Авторы работы считают, что результаты экспериментов с таким активным веществом могут пригодиться при создании биодатчиков и биомедицинских устройств с уникальными функциональными возможностями, в том числе — реакцией на химические соединения. Научная статья была опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

ВестиRu