Neue Einblicke in aktive Nematiken und Zellverhalten

Zellen sind die grundlegenden Teile von Lebewesen und kommen in verschiedenen Formen und Grössen. Jede Form hat bestimmte Aufgaben und Verhaltensweisen. Die Regeln hinter diesen Formen zu verstehen, ist nicht einfach. In dieser Studie erschaffen wir neue Bausteine, die biologische Strukturen nachahmen. Dazu wickeln wir ellipsoide Tropfen, die mit einem speziellen flüssigen Kristall gefüllt sind, in ein proteinbasiertes Gel, das wie die innere Struktur einer Zelle wirkt. Dadurch erhalten wir Strukturen mit einem Kern und einer Schale.

Mit der einzigartigen Textur und Form des flüssigen Kristalls können wir steuern, wie das aktive Material sich verhält. Wir haben neue Zustände gefunden, in denen Defekte in diesem Material ihre Bewegungen über die Zeit ändern, indem sie zwischen Drehen und geradliniger Bewegung wechseln. Unsere Simulationen zeigen, dass die Bewegung dieses Materials stark von der Form des Tropfens und äusseren Kräften beeinflusst wird, was uns hilft, biologische Prozesse besser zu verstehen und neue Designs für winzige Maschinen zu entwickeln, die von der Natur inspiriert sind.

#Hintergrund

Aktive Nematika sind Materialien, die aus länglichen, selbstbewegenden Einheiten bestehen. Diese Materialien helfen uns, verschiedene biologische Aktionen zu lernen, einschliesslich wie Fasern sich während der Entwicklung verändern und wie Gruppen von Bakterien sich gemeinsam bewegen. Durch die Anwendung des Rahmens, der für flüssige Kristalle entwickelt wurde, können wir ihn auf biologische Systeme anwenden.

Nematika-Defekte sind Punkte, an denen die übliche Ordnung gestört ist. Diese Defekte sind wichtig dafür, wie Zellen einzeln und in Gruppen funktionieren. Wir wissen jedoch immer noch nicht genau, wie diese Defekte mit ihrer Umgebung interagieren, um spezifische Ergebnisse zu erzeugen. In Laboraufbauten bieten aktive Nematika ein gutes Modell, um diese Interaktionen zu studieren. Kräfte wie Reibung, Oberflächenstruktur und Eindämmung können genutzt werden, um die Bewegungen der Defekte und die Flussmuster im Material zu steuern, was neue Einblicke für das Design von Maschinen inspiriert von biologischen Systemen bietet. Das Studium der Auswirkungen von gekrümmten Oberflächen auf Defekte wurde jedoch nicht oft durchgeführt aufgrund von Schwierigkeiten bei der Schaffung kontrollierter Experimente.

In früheren Studien schauten Forscher, wie eine konstante gekrümmte Oberfläche einen aktiven Nematik aus Mikrotubuli und Kinesinmotoren beeinflusste. Diese Motoren helfen dabei, Bündel von Fasern zu bewegen und ein zweidimensionales Feld zu schaffen. Als diese Materialien auf einer sphärischen Oberfläche platziert wurden, verhielten sich die Defekte chaotisch. Indem die aktiven Nematika jedoch auf eine sphärische Oberfläche beschränkt wurden, konnten die Forscher einen ordentlicheren dynamischen Zustand schaffen, in dem sich die Defekte vorhersehbar bewegten. Studien sagen voraus, dass unter hoher Aktivität neue Flussmuster, wie Wirbel und rotierende Bänder, erscheinen können.

Wenn ein Gradient der Krümmung eingeführt wird, kann dies zu noch komplexeren Bewegungen führen. Auf Oberflächen mit ungleichmässiger Krümmung tendieren Defekte dazu, sich zu Bereichen mit ähnlicher Krümmung zu bewegen oder können sich unter bestimmten Bedingungen sogar trennen. Diese Verhaltensweisen können das Bewegungsmuster des aktiven Systems stark verändern. Zum Beispiel kann die Krümmung bei einem länglichen Tropfen dazu führen, dass sich Defekte an den Polen sammeln und rotierende Bewegungen erzeugen. Frühere Experimente an toroidalen Tropfen zeigten diese Effekte, aber die Grösse der Tropfen war grösser als der typische Abstand zwischen den Defekten. Infolgedessen erzeugte die grosse Anzahl von Defekten chaotische Bewegungen, und ordentliche Muster wurden nicht beobachtet.

In dieser Studie nutzen wir die Eigenschaften flüssiger Kristalle, um ellipsoide Tropfen zu kreieren, die die richtige Grösse haben, um aktive Nematika zu studieren. Indem wir diese Tropfen in einem aktiven Bad aus Mikrotubuli und Kinesinmotoren platzieren, können wir eine aktive Schicht an der Oberfläche des Tropfens stabilisieren. In diesem Setup beobachten wir zwei neue dynamische Zustände, die sich durch Bewegungen auszeichnen, die durch die Oszillation von Paaren topologischer Defekte gesteuert werden.

#Aktive Nematika aufbauen

#Erstellung von smektischen ellipsoiden Tropfen

Unsere aktiven Nematika bestehen aus länglichen Tropfen eines flüssigen Kristalls namens Octyl-Cyanobiphenyl (8CB), das mit Mikrotubuli-Bündeln beschichtet ist, die von Kinesinmotoren bewegt werden. Um diese Tropfen zu erzeugen, verwenden wir einen speziellen Prozess, der dazu führt, dass sich doppelte Emulsionen aus Wasser und 8CB beim Erhitzen auflösen und ellipsoide Formen bilden.

Die Tropfen müssen dann gebildet werden, während 8CB in einer bestimmten Phase ist. Wenn die Temperatur gesenkt wird, tritt ein Übergang auf, und die doppelten Emulsionen zerfallen in ellipsoide Tropfen. Normalerweise wären Tropfen, die auf diese Weise gebildet werden, sphärisch, aber die Art, wie die Flüssigkeit strukturiert ist, bevor der Tropfen entsteht, lässt sie diese ungewöhnliche Form annehmen.

Die resultierenden ellipsoiden Tropfen sind nicht lange stabil und verwandeln sich nach etwa 48 Stunden in Kugeln, bleiben aber während unserer Experimente stabil. Für unsere Studie konzentrieren wir uns auf Tropfen mit bestimmten Grössen, die es uns ermöglichen, die aktiven Nematik-Eigenschaften zu beobachten. Unter verschiedenen Lichtarten zeigen diese Tropfen eine Struktur mit bestimmten Linien, die zeigen, wie die Flüssigkeit organisiert ist und wo sich die Flussrichtung ändert.

#Hinzufügen von aktivem Material zu den Tropfen

Um das aktive Nematik zu erstellen, mischen wir unsere ellipsoiden Tropfen in ein aktives Gel aus Mikrotubuli und Kinesinmotoren. Dieses Gel hilft dabei, die Mikrotubuli zu binden und zu bewegen, und im Gegensatz zu früheren Methoden umgibt das aktive Gel die Tropfen, anstatt in ihnen enthalten zu sein. Die Mikrotubuli sammeln sich allmählich an der Grenzfläche der Tropfen und bilden die aktive Schicht.

Wenn das aktive Gel in ein Glas-Kapillarröhrchen gemischt wird, können wir beobachten, wie sich die Tropfen verhalten. Eine konstante Energiequelle wird bereitgestellt, um die Motoren am Laufen zu halten, was kontinuierliche Bewegung ermöglicht. Nach ein paar Minuten des Mischens können wir sehen, wie sich die Mikrotubuli um die Oberfläche der Tropfen bilden.

Im Laufe der Zeit baut sich das aktive Material an der Oberfläche auf, was zu organisierten Texturen und Strömungen führt. Zwei Hauptzustände erscheinen: der quadrupolare Zustand und der endgültige dipolare Zustand, die jeweils unterschiedliche Muster und Strömungen aufweisen.

#Dynamische Zustände

#Quadrupolarer Zustand

Nach den ersten zwei Stunden des Experiments hat sich das aktive Material genug angesammelt, um einen organisierten dynamischen Zustand zu schaffen. Das System zeigt klares Wechselspiel zwischen Bewegungsmustern. Die Defekte in diesem Zustand pendeln regelmässig zwischen einem Drehmuster und einem, in dem sie sich entlang der Oberfläche bewegen.

Im rotierenden Zustand besetzen Paare von Defekten die Pole des Tropfens, während andere Defekte um den Äquator herum erscheinen. Die Defekte an den Polen bewegen sich in kreisförmigen Bahnen und bleiben aufgrund elastischer Kräfte, die auf sie wirken, getrennt. Das zu sehende Muster passt zur Struktur des flüssigen Kristalls und zeigt eine spiegelbildliche Symmetrie.

Da diese aktiven Nematika jedoch anfällig für Instabilitäten sind, können sie zu Veränderungen im Verhalten der Defekte führen. Während dieser Phase können sich die Defekte von Pol zu Pol bewegen und neue Flussmuster erzeugen. Die Dynamik wiederholt sich über die Zeit und zeigt periodisches Verhalten, während sich das aktive Material weiterhin ansammelt.

#Dipolarer Zustand

Mit Fortdauer des Experiments stabilisiert sich die Menge an aktivem Material auf dem Tropfen, und die Dynamik wechselt zu einem endgültigen dipolaren Zustand. In diesem Zustand bewegen sich nur zwei Paare von Defekten, und ihr Verhalten ist weniger chaotisch als zuvor. Der Schlüsselunterschied in diesem Zustand ist, dass sich die Defekte an den Polen jetzt in entgegengesetzte Richtungen drehen und ein dipolares Muster erzeugen.

Während sich die Defekte zwischen Drehen und gerader Bewegung hin und her bewegen, behält die Konfiguration eine organisiertere Struktur ohne die Notwendigkeit eines äquatorialen Gürtels von Defekten. Dieser endgültige Zustand bleibt stabil aufgrund der erhöhten Steifheit des aktiven Materials. Die Defekte sammeln sich hauptsächlich an den Polen, was frühere Vorhersagen bestätigt, wo Defekte wahrscheinlich basierend auf der Form des Tropfens zu finden sind.

#Verständnis der Bewegungen von Defekten

#Kopplung von Krümmung und Kräften

Der endgültige Zustand, der in den Experimenten beobachtet wurde, wird durch Simulationen unterstützt, die untersuchen, wie Krümmung die Bewegungen von Defekten beeinflusst. In Abwesenheit aktiver Kräfte bilden Defekte Paare an den Polen, um Energie zu minimieren. Wenn die Aktivität zunimmt, beginnen die Defekte, sich chaotisch zu verhalten, sich zu den Polen zu bewegen und ordentliche Flussmuster zu zeigen.

Die Simulationen zeigen weiter, dass Defekte es vorziehen, sich in der Nähe von Bereichen mit der höchsten Krümmung aufzuhalten. Während sich die Defekte bewegen, ändern sie die Richtung, behalten aber ein Gefühl für Rotation und können zu verschiedenen Arten von Bewegungen führen, basierend auf der Wechselwirkung mit der Tropfenoberfläche.

#Rolle der Reibung

Die Präsenz von Reibung spielt ebenfalls eine bedeutende Rolle im Verhalten der Defekte. Durch das Hinzufügen einer Dämpfungs-kraft in den Simulationen können wir sehen, wie Reibung das Material stabilisieren und helfen kann, chaotische Flussmuster zu verhindern. In Szenarien, in denen die Reibung ungleichmässig ist, beobachten wir die Bildung organisierter Strömungsgassen, was zeigt, wie reibende Kräfte das Verhalten aktiver Nematika lenken können.

#Fazit

Diese Studie zeigt, dass die Verwendung von ellipsoiden aktiven Nematika uns helfen kann, komplexe biologische Prozesse zu verstehen. Das Zusammenspiel von Defektdynamik und Krümmung, zusammen mit den Auswirkungen von Reibung, führt zu interessanten Verhaltensweisen in diesen Systemen. Indem wir diese Faktoren steuern, können wir organisierte dynamische Muster erzeugen, die denen in biologischen Systemen ähneln, was potenziell beim Design von winzigen Maschinen helfen könnte, die der Natur nachempfunden sind.

Durch die fortlaufende Erforschung dieser Materialien können wir tiefere Einblicke gewinnen, wie Zellen funktionieren und wie wir diese Prinzipien in praktischen Anwendungen nutzen können. Die Ergebnisse haben das Potenzial, neue Methoden zur Schaffung fortschrittlicher Materialien und Technologien zu inspirieren, die auf den Prinzipien lebender Systeme basieren.