Зачем учёные запрягли одноклеточные водоросли в крошечный транспорт

Японские исследователи из Токийского университета создали крошечные конструкции, которые перемещаются силой микроскопических водорослей. Водоросли попадают в корзины, прикреплённые к микромашинам, и в этой упряжи продолжают плыть. На заглавной иллюстрации — нарисованное изображение корзинки для наглядности и реальное фото корзины-ловушки.


Были созданы два типа транспортных средств: «ротатор», который вращается колесом, и «скутер», который предназначался для движения по прямой.



Инициировал проект Наото Симидзу. Его с коллегами вдохновила на исследование распространённая подвижная одноклеточная зелёная водоросль хламидомонада Рейнгардта (лат. Chlamydomonas reinhardtii). Диаметр её — около 10 микрометров, а плавает она при помощи двух жгутиков, расположенных спереди. Возле основания жгутиков есть две небольшие сократительные вакуоли, то есть образования, играющие роль органов в одноклеточных организмах. Для передвижения хламидомонады используют свои жгутики, подобно пловцу брассом.

Наото Симидзу и сотоварищи доказали, что эти водоросли можно поймать в ловушку без ущерба для их подвижности. И это представляет собой новый вариант приведения в движение микромашин, которые можно использовать в инженерных или исследовательских целях. Статью о научном достижении опубликовали в журнале Small.



На фото выше — микроскопический «ротатор», в котором водоросли могут перемещаться со скоростью более 100 микрометров в секунду. С четырьмя водорослями в ловушках «вертушка» двигалась со средней скоростью около 20–40 микрометров в секунду.

Сами каркасы микромашин были созданы с использованием технологии 3D-печати, называемой двухфотонной стереолитографией. Соответствующий принтер использует свет для создания микроструктур из пластика. Создатели изделий работали с масштабом в 1 микрометр, что равно 0,001 миллиметра. По словам исследователей, наиболее сложной частью проекта была точность в создании ловушки в форме корзины, чтобы она могла эффективно захватывать и удерживать водоросли, когда они заплывают в неё. Команда экспериментировала с четырьмя вариантами разного размера, прежде чем выбрала наилучший.

«Ротатор», похожий на колесо обозрения, оснащён четырьмя ловушками с одной водорослью в каждой. Размер и форма корзинок позволяют двум маленьким, похожим на плети придаткам водоросли двигаться, перемещая аппарат вперёд.



Участник научного коллектива Харука Ода рассказал, что «ротатор», как и ожидалось, совершал плавное вращательное движение. Однако «скутер» удивил экспериментаторов: вопреки планам, он двигался не в одном направлении, согласно ориентации водорослей, а наблюдались беспорядочные движения — повороты и серия сальто назад.


— Ода, Высшая школа информационных наук и технологий (IST).

По мнению исследователей, главное преимущество разработанных микромашин заключается в том, что ни их каркас, ни водоросли не требуют какой-либо химической модификации. Водорослям также не нужны внешние конструкции, чтобы направлять их в ловушку, что упрощает процесс.

Пока неизвестно, как долго микроскопические «колесницы» продолжат функционировать, а их крошечные «кони» — выживать в «упряжи». Отдельные особи хламидомонада Рейнгардта могут жить около двух дней, размножением производя четыре новые водоросли. Эксперименты проводили несколько часов подряд, в течение которых микромашины сохраняли свой вид и подвижность.

Далее команда учёных хочет усовершенствовать «ротатор», чтобы он вращался быстрее, а также создать новые, более сложные конструкции машин.

Руководитель проекта профессор Седзи Такеучи сказал относительно потенциала изобретения, что микроскопические аппараты, приводимые в движение плавающими зелёными водорослями, могут помочь в биологических и экологических исследованиях.