Pienet eliöt rikkovat fysiikan lakeja uidakseen nopeammin. Aalto-yliopiston löytö voi auttaa esimerkiksi lääkkeitä annostelevien robottien kehittämisessä.
Kitkan ja viskositeetin välimaastossa eli mesoskaalassa uivat eliöt eivät muutu nopeammiksi vain lisäämällä vauhtiaan tai kasvattamalla kokoaan. Ratkaiseva tekijä on sen sijaan aikasymmetrian rikkominen eli liikkeen epäsymmetrisyys ajassa.
Havainnon teki apulaisprofessori Matilda Backholmin johtama monitieteinen tutkimusryhmä, jonka tulokset julkaisi Communications Physics -lehti.
Löytö paikkaa aukkoa mesoskaalan voimien ymmärryksessä, mutta se voi myös mahdollistaa potilaan kehon sisään vietävät “mesorobotit”. Lääketieteessä niitä voitaisiin käyttää esimerkiksi lääkkeiden annosteluun tai erilaisiin leikkauksiin.
Pienet robotit voisivat vaikkapa viedä lääkkeen suoraan syöpäkasvaimeen sen sijaan, että se vaikuttaisi koko kehoon.
”Mesorobotit voisivat myös kuljettaa kerralla suurempia lääkemääriä kuin mikroskooppiset robotit”, Backholm sanoo.
Ei kovempaa vaan viisaampaa uimista
Tutkijoiden tarkastelun kohteena olivat Artemia-äyriäiset, noin 400–1 500 mikrometrin kokoiset “mesoeliöt”.
“Artemia venyttää uidessaan nivelmäistä antenniaan, jonka liikkeen ääriviiva muistuttaa kahdeksikkoa. Päätimme mitata juuri tätä liikerataa”, kertoo väitöskirjatutkija Sharadhi Nagaraja.
Näin selvisi, että antennin piirtämä kahdeksikko lisäsi Artemian liikkumisen vapautta.
“Aikasymmetrian rikkominen tarkoittaa sitä, että esimerkiksi uivista bakteereista kuvattu elokuva näyttää erilaiselta, jos elokuvan katsoo takaperin”, Matilda Backholm selittää.
Mesoskaalan uimarien ei tarvitsisi rikkoa symmetriaa, mutta Artemia tekee niin.
“Saimme selville, että mitä enemmän Artemia rikkoo aikasymmetriaa, sen paremmin ne uivat. Tätä ei kukaan ole aikaisemmin elävien eliöiden kohdalla mitannut.”
Ainutlaatuinen anturi
Backholmin johtama ryhmä otti tuhansia kuvia Artemian liikkeestä ja analysoi niitä koneoppimistyökaluilla. Eliöiden käsittely vaati fyysikoiden ja biologien yhdistettyä asiantuntemusta.
Lisäksi tutkimukseen tarvittiin Backholmin kehittämää ainutlaatuista, lasista mikropipettivoima-anturia.
Mikropipetti on erinomainen työkalu elävien mesoskaalan eliöiden uimiseen liittyvien fysikaalisten voimien äärimmäisen tarkkaan mittaamiseen, kertoo tutkijatohtori Rafael Ayala Lara.
”Se ei vahingoita eliöitä ja antaa meille samaan aikaan tietoa sekä voimista että itse eliön liikkeistä.”
Mesoskaala sijoittuu fysiikassa mikroskooppisen ja makroskooppisen maailman väliin. Sitä asuttavat esimerkiksi pienet toukat, katkaravut ja meduusat.
Mesoskaala kiinnostaa tutkijoita, koska makroskooppinen kitkavoima kohtaa siellä mikroskooppisen, nesteen sisäisen kitkan eli viskositeetin tavalla, joka vaatii kokonaan uudenlaisia yhtälöitä ilmiön selittämiseen.
Tilaa Kemiamedian uutiskirje!
Tilaajana saat sähköpostiisi kerran viikossa kiinnostavimmat uutiset ja tiedot alan tapahtumista ja työpaikoista. Osallistut samalla arvontaan!
