Investigadores de la Universidad Aalto de Finlandia han encontrado una manera de utilizar imanes para alinear las bacterias mientras nadan. El enfoque ofrece algo más que una simple forma de ordenar las bacterias: también proporciona una herramienta útil para una amplia gama de investigaciones, como el trabajo con materiales complejos, transiciones de fase y física de la materia condensada.
Las nanopartículas magnéticas se mezclan con una densa suspensión bacteriana. Activar y desactivar el campo magnético uniforme hace que el sistema pase entre un orden de orientación de largo alcance y una turbulencia activa. Crédito de la imagen: Kazusa Beppu / Universidad Aalto
Las células bacterianas generalmente no son magnéticas, por lo que los imanes no interactúan directamente con las bacterias. En cambio, las bacterias se mezclan en un líquido con millones de nanopartículas magnéticas. Esto significa que las bacterias en forma de varilla son efectivamente huecos no magnéticos dentro del fluido magnético. Cuando los imanes se encienden, creando un campo magnético, las bacterias son empujadas a alinearse con el campo magnético porque cualquier otra disposición requiere más energía; es más difícil mantener los agujeros en forma de varilla en ángulo con respecto al campo magnético.
‘Hemos logrado controlar perfectamente la regularidad Bacillus subtilis bacterias con campos magnéticos. Estas bacterias no son magnéticas, a diferencia de algunas bacterias magnetotácticas raras», dice el profesor asistente Jaakko Timonen quien dirigió el estudio.
«En pocas palabras, la disposición más estable es que los «agujeros» bacterianos se alineen con el campo magnético, lo que genera una torsión en el cuerpo de las bacterias, empujándolas a alinearse», explica el investigador postdoctoral. Kazusa Beppu.
La fuerza del campo magnético controla la alineación de las bacterias. Cuando los imanes estaban apagados, las bacterias nadaban al azar. A medida que los investigadores aumentaron la fuerza del campo magnético, las bacterias se alinearon cada vez más y finalmente nadaron en filas casi perfectas.
La cantidad de bacterias también marcó la diferencia. Cuando la densidad de población era alta, se necesitaba un campo magnético más fuerte para alinear las bacterias. Esto se debe a que las bacterias nadadoras afectan el líquido de una manera similar a la turbulencia. Cuando hay muchas bacterias, el efecto similar a la turbulencia es fuerte y se necesita un campo magnético más fuerte para superarlo.
«El flujo de fluido creado por bacterias en suspensiones densas se denomina turbulencia activa porque contiene estructuras características de los flujos turbulentos, como los vórtices. Sin embargo, es importante entender que las llamadas turbulencias activas son fundamentalmente diferentes de las turbulencias normales que se encuentran, por ejemplo, en la aviación”, aclara Timonen.
La turbulencia activa es un fenómeno extremadamente común en la naturaleza. Es causada por las acciones combinadas de unidades individuales, como células que nadan o se mueven, es decir. bacterias, espermatozoides o células epiteliales. «La turbulencia activa es un tema de investigación importante en la física de la materia activa, y las densas suspensiones bacterianas de nuestro sistema son una herramienta excelente para estudiarla», afirma Beppu.
¿Los micromensajeros del futuro?
En última instancia, por divertido que parezca, este trabajo no se trata solo de hacer que las bacterias naden de manera ordenada. La capacidad de controlar el movimiento bacteriano junto con el flujo turbulento es importante para comprender y manipular la materia activa: materiales en los que surgen patrones dinámicos del comportamiento de partes individuales. Piense en bandadas de pájaros, pero a nivel celular.
Los investigadores imaginan aplicaciones en torno a materiales autosostenibles o aprovechar el potencial de la microrrobótica o los motores biológicos para recolectar energía o transportar material. La administración selectiva de fármacos podría, por ejemplo, realizarse a escala microscópica.
«Es apasionante poder controlar la materia activa de forma espaciotemporal y versátil en un espacio mucho mayor que el tamaño de las unidades activas individuales», añade Beppu. «Y como nuestro método es versátil, puede aplicarse no sólo a sistemas bacterianos sino también a una variedad de otros sistemas, lo que supondrá un gran avance en el estudio experimental de la materia activa».
La capacidad de ajustar las alineaciones de esta manera también será una herramienta invaluable en otros campos de investigación, como el trabajo sobre transiciones de fase o la física de la materia condensada. Mientras tanto, los investigadores planean ampliar su trabajo probando qué sucede cuando el campo magnético es dinámico, por ejemplo, en un campo magnético giratorio. Beppu espera ver una rica variedad de nuevos fenómenos en esos experimentos, y añade que «comprender la controlabilidad magnética de la orientación y el flujo es importante para diseñar materiales activos funcionales».
Fuente: Universidad Aalto
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