Светом можно управлять формой бактериальных скоплений для создания лабораторий-на-чипе

Учёные использовали световые паттерны для контроля скорости плавания бактерий и направления их в различные формы, согласно новому исследованию в журнале eLife.

Такой контроль означает, что бактерии можно использовать в качестве «микрокирпичиков» для создания устройств микроскопического масштаба. Например, их можно заставить окружить более крупный объект, например, деталь механизма или носитель лекарства, и использовать в качестве живых пропеллеров для его транспортировки.

Бактерии Escherichia coli (E. coli) — отличные пловцы. Они могут преодолевать расстояние, в десять раз превышающее их длину, за секунду. Их движение обеспечивают пропеллеры, приводимые в действие мотором, который обычно перезаряжается в процессе, требующем кислород. Недавно учёные обнаружили у обитающих в океане бактерий белок (протеородопсин), позволяющий питать пропеллеры с помощью света. Добавив этот белок другим типам бактерий, можно установить «солнечную панель» на каждую клетку и дистанционно управлять скоростью её движения светом.

«Подобно пешеходам, которые замедляют шаг в толпе, или автомобилям в пробке, плавающие бактерии проводят больше времени в медленных областях, чем в быстрых, — объясняет ведущий автор Джакомо Франджипане, постдок Римского университета. — Мы хотели использовать это явление, чтобы попытаться сформировать концентрацию бактерий с помощью света».

Для этого команда Франджипане направляла свет от проектора через линзу микроскопа, формируя его с высоким разрешением, и изучала, как E. coli меняют скорость, перемещаясь через области с разной степенью освещённости.

Они равномерно проецировали свет на слой бактериальных клеток в течение пяти минут, а затем подвергли их воздействию более сложного светового паттерна — негативного изображения Моны Лизы. Бактерии начали концентрироваться в тёмных областях изображения, покидая более освещённые зоны. Через четыре минуты можно было наблюдать узнаваемую бактериальную реплику картины Леонардо да Винчи, где более светлые области соответствовали скоплениям бактериальных клеток.

Хотя сформированная бактериями фигура была узнаваемой, команда обнаружила, что модифицированные E. coli медленно реагировали на изменения света, что приводило к размытому формированию целевой формы. Для решения этой проблемы они использовали петлю обратной связи, где бактериальная форма сравнивается с целевым изображением каждые 20 секунд, и световой паттерн соответствующим образом обновляется. Это позволило создать оптимальный световой паттерн, формирующий концентрацию клеток с гораздо более высокой точностью. Результат — «фотокинетический» бактериальный слой, который можно превратить в почти идеальную копию сложного чёрно-белого целевого изображения.

«Мы показали, как суспензия плавающих бактерий может привести к новому классу светоуправляемых активных материалов, плотность которых можно точно, обратимо и быстро формировать с помощью маломощного проектора, — говорит Роберто Ди Леонардо, доцент кафедры физики Римского университета. — При дальнейшей доработке бактерии можно будет использовать для создания твёрдых биомеханических структур или новых микроустройств для транспортировки небольших биологических грузов внутри миниатюрных лабораторий».