Kunstmatige microzwemmers werken samen als bacteriën
Microscopisch kleine zwemmers zoals bacteriën zwemmen niet altijd alleen. Informatie uitwisselen en samenwerken kan namelijk voordelen hebben. Stefania Ketzetzi en collega's tonen in Nature Communications aan dat ook door mensen gemaakte microzwemmers kunnen samenwerken.
Samenwerkende micro-organismen kunnen supercomplex gedrag vertonen. Bacteriën werken bijvoorbeeld samen om voedingsstoffen op te vangen, kankercellen communiceren met elkaar om de groei van tumoren te versnellen, en spermatozoa kunnen samen een trein vormen om sneller naar de eicel toe te bewegen. Deze samenwerkingsverbanden zijn mogelijk doordat deze micro-organismen informatie met elkaar uitwisselen.
Microscopische zwemmers gemaakt door mensen
In het laboratorium kunnen wetenschappers soortgelijke actievelingen maken. Deze kunstmatige microzwemmers zijn een belangrijk instrument geworden om bewegingen op microscopische schaal te bestuderen, te begrijpen en te gebruiken. Nu blijkt dat ook zij kunnen samenwerken in de aanwezigheid van andere zwemmers, of kleine oppervlakken.
Aan de oppervlakte
‘Wij zijn geïnteresseerd in hoe kunstmatige microzwemmers zich gedragen als ze specifieke oppervlakken tegenkomen', zegt Ketzetzi, die dit onderwerp onderzocht voor haar promotieonderzoek aan de Universiteit Leiden. Samen met haar collega Melissa Rinaldin bestudeerde ze het zelfstandig bewegen van microscopisch kleine bolletjes bij verschillende oppervlakken.
Ze blijven heel lang ronddraaien
Door de bolletjes gedeeltelijk te bedekken met platina en ze in water met waterstofperoxide te leggen, gaan de bolletjes bewegen door een chemische reactie die aan de platinakant plaatsvindt. Ketzetzi: ‘Vervolgens stoppen we deze zelfbewegende bolletjes in een bakje met microscopisch kleine 3D-geprinte paaltjes. Als een zwemmer een van de paaltjes tegenkomt, hecht hij zich eraan vast en blijft hij er heel lang omheen ronddraaien.’
Gezamenlijk versnellen
Dit fenomeen was al door anderen waargenomen. Maar de onderzoekers merkten iets interessants op toen meerdere bolletjes rond dezelfde paal bewogen: als ze dat in dezelfde richting doen, werken ze samen om sneller te bewegen. Een gezamenlijke versnelling, net als de microscopische samenwerkingen die we ook in de natuur zien.
Of, als de zwemmers in tegengestelde richting rond dezelfde paal bewogen, hielden ze elkaar tegen. Twee bolletjes kunnen daardoor lange tijd stil blijven staan en een verkeersopstopping veroorzaken voor andere ronddraaiende zwemmers. Pas na een touwtrekpartij komt de massa weer in beweging. Maar alleen als er ten minste twee extra zwemmers waren die van de ene of de andere kant duwden.
Biomedische toepassingen
Zulke coöperatieve bewegingen kunnen relevant zijn voor toekomstige toepassingen, waarbij kunstmatige zwemmers taken moeten uitvoeren terwijl ze interactie aangaan met de omgeving. Ketzetzi: ‘In biomedische toepassingen bijvoorbeeld, waar kunstmatige microzwemmers naar verwachting een grote rol zullen spelen, zou coöperatief gedrag snellere medicijnafgifte mogelijk kunnen maken.’