光控細菌供能的微型電機

當研究者向一個微型電機陣列中滴入一滴包含數千個自由遊動的基因工程修改過的大腸桿菌時，數分鐘內微型電機就開始旋轉了。某些細菌個體頭超前地游入蝕刻在每個微型電機外邊緣上的15個微室之一中，鞭毛則伸出在微室之外，這些細菌一起合力使微型電機轉起來，有點像流動的江水轉動水車那樣。

由羅馬大學物理學教授Roberto Di Leonardo領銜的研究者已將該研究發表在近期的自然通訊上。

credit: 煎蛋畫師Chon

Di Leonardo 說道：「相比先前基於野生型細菌和扁平結構的工作，我們的設計不僅轉速快，而且也大大減小了速度的變化。我們能夠製造大型獨立控制轉子陣列，將光作為終極能量源。這些設備某天可作為廉價的一次性微型電機執行器，收集和排序微型生物醫學實驗室中的單獨細胞。」

類似此處使用的包含大量遊動細菌的液體被稱為「主動液體」，因為其中包含了機械能。為了將主動液體用作推動微型機械的燃料，必須對細菌的混亂運動進行控制，使得所有(或者大部分)細菌才能以同樣的方向運動。

這正是微型電機做所的。每個微型電機邊緣分布的微室以45度角傾斜，最大化了細菌使電機轉動的扭矩。在他們的設計中，研究者還建造了徑向漸變，有策略地放置一些柵欄引導遊動細菌進入微室。在實驗中，研究者發現微型電機的轉速隨著捕捉細菌數量而線性增加，並且能很容易實現20轉/分的轉速。

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任何細菌供能微型電機的另一個重要要求是控制微型電機運動的能力。為此，研究者基因修改了大腸桿菌菌株，來表達一個光碟機動的質子泵，即細菌視紫紅質。這種色素蛋白利用光子能量泵動質子對抗電化學梯度，加快細菌的遊動速度。通過利用不同光強的光線照射該細菌供能的微型電機，研究者能控制微型電機的轉速。

為了能將這種系統用於實際應用之中，陣列中所有微型電機的平均速度趨於一致，波動較小這一點非常重要。利用能每10秒鐘均勻照射系統的反饋方法，研究者證實能有效同步電機的轉速，波動很小。利用這種光控方法，研究者就能一致地以特定速度旋轉一組微型電機。

這種細菌推動的微型電機具有潛在的醫學應用，比如藥物輸送。研究者計劃在未來進行相應的研究。

論文原文：DOI: 10.1038/ncomms15974

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Lisa Zyga

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