Micromotori a propulsione batterica

. Di leonardo et al.: micromotori a propulsione battericaLe proprietà fototattiche dei batteripossono essere utilizzate per controllaree guidare tali strutture con la luce [4, 5].È stato dimostrato, ad esempio, comeun’alga biflagellata (Chlamydomonasreinhardtii) possa trasportare un caricoancorato chimicamente alla paretecellulare. Le proprietà fototattiche dellacellula possono essere utilizzate perguidarne il percorso attraverso campiottici esterni, ma a questo punto èforse più conveniente utilizzare la lucestessa per trasportare direttamente ilcarico con tecniche di intrappolamentoottico. Uno dei maggiori probleminello sfruttamento del lavoro battericoconsiste, infatti, nel guidare le cellule inun moto direzionale predeterminato.In un ambiente omogeneo i batterinuotano in maniera caotica, esplorandol’ambiente circostante alla ricerca dicondizioni più favorevoli. Fin dalleprime osservazioni di Leeuwenhoek,una sospensione di batteriautopropellenti colpisce da subito perl’attività frenetica che si osserva (“Ilmovimento nell’acqua della maggiorparte di questi animaculi era così rapido,e così variamente diretto verso l’alto,verso il basso e orizzontalmente checonfesso di non aver potuto far altroche meravigliarmene.”), un’attività cheappare senza scopo e che, se potessimorettificare, potrebbe essere sfruttataper scopi per noi molto più utili. Chi èabituato a manipolare la materia nonvivente sa però che estrarre lavoro daun sistema caotico isolato è un’impresasenza speranza, come stabilito dalsecondo principio della termodinamica.Se così non fosse un battello potrebbenavigare semplicemente convertendol’agitazione termica delle molecoled’acqua in energia cinetica. D’altraparte i cammini casuali delle cellulein un bagno batterico assomigliano aprima vista ai moti di agitazione termicadelle molecole di un gas. Abbiamodunque speranza di estrarre lavorodall’agitazione disordinata della materiavivente? In altre parole, possiamorealizzare un micro-dispositivo che siaspinto dal movimento batterico in unmoto unidirezionale e riproducibilesenza ricorrere all’ausilio di campidi forza esterni? Queste domandesono inevitabilmente connesse con ilproblema più fondamentale di qualisiano le condizioni necessarie perl’emergere di un comportamentoordinato attraverso un meccanismodi auto-organizzazione. In questosenso le simmetrie giocano unruolo fondamentale. Come giàriconosciuto da Curie: “Les effets, cesont les phénomènes qui nécessitenttoujours, pour se produire, une certainedissymetrie. Si cette dissymetrie n’existepas, le phénomène est impossible.Ceci nous empêche souvent de nouségarer à la recherche de phénomènesirréalisables”[6]. In sostanza, effettiasimmetrici riproducibili necessitanosempre di corrispondenti causeasimmetriche. Se tali asimmetrie nonesistono il fenomeno è irrealizzabile.In particolare, il fenomeno cheintendiamo produrre consiste nellarotazione spontanea e unidirezionaledi un sistema nanofabbricato immersoin un bagno batterico. Questofenomeno viola tre simmetrie principali:a) simmetria per inversione dell’assetemporale, b) simmetria per riflessioneattraverso un piano contenente l’asse dirotazione z, c) simmetria per rotazioni di180° attorno a un asse perpendicolarea z. In altre parole, un moto rotatorioche osservato dall’alto avviene in sensoantiorario, avverrebbe in senso orariose osservato: a) a ritroso nel tempo,b) riflesso in uno specchio contenentel’asse di rotazione, c) dal basso. Se ilnostro dispositivo apparisse simmetricosotto almeno una delle trasformazionia), b) o c), non sarebbe in grado dirompere la corrispondente simmetriaspontaneamente in una manierapredicibile e riproducibile.La rottura della simmetria temporalerichiede necessariamente di averea che fare con un sistema fuoridall’equilibrio. Le sospensioni dibatteri autopropellenti sono proprioun esempio di fluido complesso fuoridall’equilibrio. Sebbene, a prima vista, ilmoto dei batteri assomigli alla dinamicacaotica delle molecole in un gas, letraiettorie dei batteri sono generate daleggi dinamiche irreversibili. L’azionecostante dei motori flagellari produceuna forza propulsiva che spinge il corpocellulare contro la resistenza viscosadel fluido in cui è immerso. Tali forzepropulsive agiscono come un campodi forze esterne non conservativo,producendo quindi una dinamicache non è simmetrica per inversionedell’asse temporale. In particolare,i batteri Escherichia coli sono spintida flagelli azionati da motori rotatoribidirezionali. Quando tutti i motoriruotano in senso antiorario (se osservatida dietro) la cellula viene spinta inun moto traslatorio quasi rettilineo.Tale moto è interrotto da eventi di“tumble” durante i quali uno o piùmotori invertono il senso di rotazioneprovocando uno svolgimento delfascio flagellare e una conseguenteorientazione casuale del corpo cellulare.Per quanto riguarda le simmetriespaziali, la natura chirale del flagellorompe evidentemente la simmetriaper riflessione b) ma non quella perribaltamento c). Quest’ultima simmetriadeve essere quindi esplicitamente rottaprogettando dei componenti di formaasimmetrica.In un primo lavoro di simulazionenumerica abbiamo creato unmodello di batteri autopropellenti ininterazione con ruote dentate di formaasimmetrica [7]. Il modello utilizzatoper rappresentare il singolo batterioè quello di corpo rigido allungato(aspect ratio 1/2) costituito da 2 centridi interazione equidistanziati lungo ilcorpo. Ogni batterio interagisce con glialtri tramite forze repulsive generateda potenziali sferici a corto raggiotra i centri di interazione dei batteri.Ogni batterio è altresì dotato di forzavol26 / no3-4 / anno2010 > 47