Человеческая цивилизация немногого достигла бы без тягловой силы крупных животных — быков, лошадей, буйволов и даже слонов. Теперь им на помощь приходит совсем крохотное создание: 5-микронная бактерия Bacillus subtilis.
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории смогли заставить сотни микробов крутить шестеренки, в миллион раз превышающие их весом. Ученые надеются, что эксперимент может быть первым шагом в создании новых материалов и устройств, способных смешивать химические соединения в микроскопических дозах, а также эффективнее производить и хранить энергию.
«Биологические системы очень эффективны, — говорит один из организаторов эксперимента, физик Игорь Аронсон. — Мы должны учиться у них и пользоваться ими».
Аронсон изучает материалы, созданные с помощью «самосборки». Этот процесс позволяет выращивать — в химических или биологических системах — сложные структуры из беспорядочного нагромождения элементов. Таким образом возникают материалы с новыми свойствами, способные, в частности, ловить фотоны на панелях солнечных батарей или задерживать электроны в батарейках.
Четыре года назад Аронсон задумался над тем, можно ли создавать подобные структуры из бактерий. Он использовал Bacillus subtilis, обычную аэробную (то есть дышащую кислородом) бактерию, живущую в почве и передвигающуюся с помощью жгутика.
Игорь Аронсон, Андрей Соколов (теперь работающий в Принстоне) и их коллеги из Северо-Западного университета нашли способ поместить маленькие шестеренки диаметром 0,38 мм в питательный бульон с бактериями и заставить их крутиться. Результаты эксперимента опубликованы в Докладах Национальной академии наук США (PNAS).
Плавая сообща, бактерии двигаются в пять раз быстрее, чем поодиночке. При этом работа, которую они совершают, увеличивается двадцатикратно — этого вполне достаточно, чтобы крутить шестеренки.
«Вместе они работают как стая птиц или рыбий косяк, — говорит Аронсон, — разве что, к сожалению, они слепы и размером не вышли, так что механика движения совсем иная».
Даже количество бактерий имеет большое значение для успеха мероприятия: возьмете слишком мало, и им не хватит сил сдвинуться с места, слишком много — и они просто слипнутся, образовав биопленку. Чтобы шестеренки крутились только в одном направлении, зубцы сделали несимметричными. Сначала в питательный бульон поместили одну шестерню, затем еще две. Бактерии сдвинули их вместе и стали крутить, как маленький моторчик (см. видео).
Аронсон умеет даже включать и выключать свой прибор. Если отключить подачу кислорода в чашку с бактериями, то в течение нескольких микросекунд механизм останавливается. При возобновления подачи кислорода шестеренки начинают крутиться снова. «Это работает почти как педаль газа», — говорит исследователь.
Энергия, произведенная бактериями, невелика, как и они сами. Энергетические проблемы Обамы, замечает Аронсон, с их помощью не решить. Но зато можно смешивать микроскопические объемы химических веществ и создавать новые материалы. И тогда со временем, быть может, бактерии сами будут строить шестеренки, которые они крутят.