Bakterien treiben Mikrozahnräder an

Schwimmende Mikroorganismen als Motor für Nanomaschinen

Wissenschaftler in den USA haben Bakterien dazu gebracht, im Kreis zu schwimmen und dadurch mikroskopische kleine Zahnräder anzutreiben. Mit Hilfe von Sauerstoff und Stickstoff können sie den Biomotor sogar schneller laufen lassen oder anhalten.

Wissenschaftler des Argonne National Laboratory, einem Forschungsinstitut des US-Energieministeriums in Idaho Falls im US-Bundesstaat Idaho, haben zusammen mit Kollegen der Northwestern University Bakterien dazu gebracht, mikroskopisch kleine Zahnräder anzutreiben. Durch ihre Schwimmbewegungen versetzten die Bakterien der Gattung Heubazillus oder Bacillus subtilis die Räder in Rotation.

Bakterien drehen Räder

Die Zahnräder haben einen Durchmesser von 380 Mikrometer und sind damit um ein Millionenfaches schwerer als die Bakterien. Um die Räder in Bewegung zu setzen, bedarf es entsprechend mehrerer hundert der Mikroorganismen. Zunächst seien die Bakterien ziellos in der Lösung umhergeschwommen, berichten die Wissenschaftler. Dann seien sie jedoch mit den Zähnen zusammengestoßen und hätten begonnen, die Räder in Rotation zu versetzen.

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Waren mehrere Zahnräder, deren Zähne ineinander griffen, in der Lösung, versetzten die Bakterien auch dieses Getriebe in Bewegung. Die Wissenschaftler fanden sogar heraus, wie sie den Biomotor ein- und ausschalten und dessen Geschwindigkeit regulieren können: über den Gehalt von Sauerstoff und Stickstoff in der Flüssigkeit. Bakterien brauchen Sauerstoff. Ohne das Gas bewegen sie sich gar nicht. Leiten Wissenschaftler also Sauerstoff in die Lösung, bewegen sich die Bakterien, und zwar umso schneller, je höher der Sauerstoffgehalt ist. Leiten sie statt des Sauerstoffs Stickstoff hinein, verlangsamt sich die Bewegung, bis sie schließlich zum Stillstand kommt, wenn kein Sauerstoff mehr da ist.

Form und Masse

Zwei Bedingungen seien entscheidend gewesen, damit der Versuch überhaupt funktioniert, so die Wissenschaftler: Zum einen dürfen die Zähne der Zahnräder keine symmetrische Form haben, sondern ihre Kanten müssen verschieden lang sein. Außerdem muss die Konzentration der Bakterien in der Lösung hoch genug sein, damit diese sich zu einer kollektiven Schwimmbewegung zusammentun.

Bakterien drehen winzig kleine Zahnräder. (Bild: Argonne)

"Die Fähigkeit, die Kraft der Bakterien zu nutzen und zu kontrollieren, ist eine wichtige Anforderung für die weitere Entwicklung hybrider biomechanischer Systeme, die von Mikroorganismen angetrieben werden", erklärt Projektleiter Igor Aronson die Bedeutung der Entdeckung. Das Team habe gezeigt, wie die Kombination von beweglichen Mikroagenten, seien diese natürlich wie Bakterien oder vom Menschen geschaffen wie Nanoroboter, und harten Materialien zusammen ein sogenanntes Smart Material ergebe, das seine Mikrostruktur verändern, einen Schaden reparieren oder Nanomaschinen antreiben könne.