Volg Duurzaamnieuws op Google News | Discover | of als voorkeursbron op Google
Onderzoekers van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg hebben lichtgestuurde nanorobots gebouwd die bacteriën kunnen opsporen, verzamelen en elders afzetten. Dat opent de deur naar preciezer werk met microben in water.
Artistieke weergave van piepkleine nanorobots met grijparmen en blauwe middelstuk op en rond rode bloedcellen in een bloedvat. Beeld: BioStrata.
Op een schaal waar één bacterie al een fors obstakel is, worden miniscule robotjes aangestuurd met licht. Het team rond natuurkundige Bert Hecht gebruikt daarvoor plasmonische nanoantennes die licht opnemen; door de polarisatie te veranderen krijgen de robotjes telkens een andere duw. Zo kunnen ze zelfs haakse bochten maken, een belangrijk detail wanneer je individuele microben in water gericht wilt scheiden van andere deeltjes. Dat maakt deze aanpak interessant voor laboratoria waar precisiewerk met cellen en materialen snel wordt verstoord.
Zo klein dat een haar reusachtig lijkt
De nieuwe machines zijn 50 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar. Ze meten minder dan 1 micrometer, dat is minder dan een duizendste millimeter. Op die schaal kun je bacteriën en losse cellen gericht verplaatsen, terwijl een pipet of pincet daar te grof voor is.
Jin Qin, experimenteel natuurkundige aan de Julius-Maximilians-Universität Würzburg, bouwde de nanorobots met collega’s Carsten Büchner en Xiaofei Wu, onder leiding van natuurkundige Bert Hecht. Hun ontwerp is klein genoeg om rechtstreeks tussen microben te werken, ook wanneer die in een vloeistof rondzweven.
“We hebben een lichtgestuurde nanorobot gebouwd die bacteriën kan opsporen en verzamelen.”
Jin Qin, experimenteel natuurkundige aan de Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Vier antennes geven de robot vaart
Elke robot kan maximaal vier plasmonische nanoantennes bevatten. Zulke antennes nemen licht van een bepaalde kleur en draairichting op en sturen het vervolgens een kant op. Bij elk omgebogen lichtdeeltje krijgt de robot een minuscule terugduw.
De robot zelf weegt vrijwel niets. Daardoor kan de kracht van afzonderlijke fotonen toch zorgen voor flinke versnelling en snelheid. Het principe lijkt op de terugslag van een afgevuurde kogel, alleen dan op nanoschaal.
De nieuwste versie kreeg bovendien nanodraden die zich vanzelf richten naar het invallende licht. Zo kan het team de rijrichting blijven veranderen zonder een ingewikkeld extra stuursysteem in te bouwen.
Bacteriën ophalen en netjes afleveren
In gecontroleerde laboratoriumproeven, met de bacteriesoorten Escherichia coli (Nissle 1917) en Staphylococcus carnosus, konden de robots bacteriën uit een gebied verzamelen, meenemen en op een vooraf gekozen plek weer loslaten. Dat gebeurt met een aantrekkende thermoforetische kracht, waarbij plaatselijk licht de omgeving net genoeg verwarmt om bacteriën naar de robot toe te trekken.
De robotjes kunnen daarbij grotere groepen bacteriën vasthouden. Hun snelheid neemt wel wat af zodra ze zo’n lading meenemen, maar de besturing blijft werken.
- Bacteriën in een monster opsporen
- Ze gericht verzamelen en vervoeren
- Ze op een gekozen plek weer afzetten
Gerichte manipulatie van microben kan nuttig zijn voor celbiologie en biomedisch onderzoek, waar onderzoekers vaak precies één soort cel of bacterie uit een mengsel willen halen. Ook in Nederlandse laboratoria is dat herkenbaar precisiewerk, want een klein beetje ongewenst materiaal kan een meting al verstoren.
Van proefopstelling naar praktisch gereedschap
De robots zijn nog geen apparaat dat morgen in een ziekenhuis of waterzuivering draait. De resultaten laten wel zien dat licht meer kan doen dan microscopische structuren zichtbaar maken, want het kan ze ook actief verplaatsen en ordenen.
Daarmee komen toepassingen in beeld zoals het selecteren van cellen, het onderzoeken van bacteriekolonies en het bewerken van piepkleine structuren in materialen. Voor medische instrumenten of watermonsters zou zo’n techniek pas interessant worden als de aanpak buiten strak gecontroleerde laboratoriumomstandigheden betrouwbaar blijft werken.
Goed om te weten
Een micrometer is 0,001 millimeter. Een nanometer is nog 1.000 keer kleiner.
De volgende proef draait om schaal
Hecht en Qin moeten nu vooral laten zien dat de nanorobots ook in complexere vloeistoffen kunnen navigeren, waar allerlei deeltjes en cellen door elkaar bewegen. Daarnaast moet de productie van robots onder 1 micrometer veel verder opschalen voordat commerciële toepassingen in beeld komen.
De studie verscheen in Nature Communications. De volgende stap is een robuuste serie ultrakleine exemplaren die telkens dezelfde bacteriën kunnen vinden, oppakken en afleveren.
