Description: In diesem Projekt schlagen wir eine experimentelle und theoretische Zusammenarbeit vor, um lebende Aktuatoren aus gleitenden, fädigen Cyanobakterien zu entwickeln. Diese phototrophen Organismen spielen sowohl aktuell als auch historisch eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf der Erde, da sie beispielsweise den atmosphärischen Sauerstoff und große Teile unserer fossilen Brennstoffe erzeugten. Filamente bestehen aus vielen linear verketteten Zellen. Sie haben einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern, können aber bis zu einigen Millimetern lang werden. In Kontakt mit festen Oberflächen oder anderen Fäden gleiten sie entlang ihrer Kontur und reagieren auf Lichtgradienten durch Richtungsumkehr. Die zu Grunde liegenden Mechanismen sind noch nicht vollständig geklärt. In natürlichen Lebensräumen führt diese Bewegung zur Aggregation in dichte Kolonien, die sich je nach Umgebungsbedingungen zusammenziehen oder wieder zerstreuen können, was eine kollektive Akklimatisierung ermöglicht. Wir werden diese Eigenschaften nutzen, um anpassungsfähige lebende Aktuatoren zu entwickeln, d. h. ein Material, das durch Stimulation mit Licht seine Form verändern kann. Die Bakterien werden in eine Matrix eingebettet, typischerweise ein gel- oder faserbasiertes Material mit maßgeschneiderten Eigenschaften und Strukturen, die im Projekt entwickelt werden. Indem wir die Bakterien mit Hilfe von Lichtmustern steuern und ausrichten, wollen wir ein aktives Netzwerk im Gerüst aufbauen, das sich bei Stimulation zusammenziehen kann. Die Kräfte aus dem aktiven Netzwerk werden entweder durch Adhäsion oder mechanische Verzahnung zwischen aktiven und passiven Komponenten übertragen. Durch die Abstimmung der gegenseitigen Ausrichtung von aktiven und passiven Netzen und ihrer Anisotropie wollen wir eine Kontrolle der Deformation erreichen. Auf langen Zeitskalen wird das Material adaptiv sein, da langfristige einwirkende Lichtmuster eine topologische Neuordnung des aktiven Netzes bewirken, so dass zwischen verschiedenen Aktuationsmodi gewechselt werden kann. Die Entwicklung von Manipulationsstrategien, die in der Lage sind, mechanische Arbeit zu extrahieren, erfordert Kenntniss der raum-zeitlichen Organisation der Krafterzeugung einzelner Filamente und ihrer Ensembles, welche bisher nicht verfügbar ist und in diesem Projekt gewonnen werden soll. Im Gegensatz zu den meisten bisher untersuchten lebenden Aktuatoren basiert unser System auf langen, flexiblen und beweglichen polymeren Bestandteilen, die äußerst robust und von Natur aus durch Licht stimulierbar sind: Die Fasernatur der lebenden Bestandteile ermöglicht es, stark verflochtene Netzwerke zu schaffen, die in einem breiten Spektrum von Umgebungsbedingungen bestehen können. Ihre Beweglichkeit und Reaktionsfähigkeit ermöglicht es, das Netzwerk selbst zu aktivieren, ohne dass die lebenden Bestandteile aufwendig modifiziert werden müssen.
Types:
SupportProgram
Origins:
/Bund/UBA/UFORDAT
Tags:
Biobasierte Materialien
?
Fossiler Brennstoff
?
Biophysik
?
Cyanobakterien
?
Sauerstoff
?
Akklimatisation
?
Bakterien
?
Kohlenstoffkreislauf
?
Adhäsion
?
Arbeit
?
Lebewesen
?
Region:
Baden-Württemberg
Bavaria
Zoologischer Garten Berlin
Bounding boxes:
9° .. 9° x 48.5° .. 48.5°
11.5° .. 11.5° x 49° .. 49°
13.3371° .. 13.3371° x 52.50794° .. 52.50794°
License: cc-by-nc-nd/4.0
Language: Deutsch
Organisations
Time ranges:
2024-01-01 - 2025-12-17
Alternatives
-
Language: Englisch/English
Title: Sub project: Engineered Living Actuators from Filamentous Cyanobacteria
Description: In this project, we propose a combined experimental and theoretical work with the goal to engineer living actuators from gliding filamentous cyanobacteria. These phototrophic organisms play an important role in the carbon cycle of Earth, both in the present and the past, generating, for instance, atmospheric oxygen and large parts of our fossil fuel record. Filaments consist of many linearly stacked cells. They are only a few microns in diameter but can grow up to millimeters in length. In contact with each other or solid surfaces, they self-propel along their contour and respond to gradients in light intensity by reversing their gliding direction. The mechanisms behind gliding motility and direction reversals remain incompletely understood. In natural habitats, this motility leads to aggregation into dense colonies that may contract or disperse again, depending on ambient conditions, which is considered an evolutionary advantage, allowing for a collective acclimatization. We will harness these properties to develop an adaptive living material with actuating capacity, i.e. a material that can change shape on demand by stimulation with light. Bacteria will be embedded in a matrix or scaffold structure, typically a gel- or fiber-based material with tailored properties and structure, which will be developed in this project. The scaffold couples to the forces generated by gliding motility. Guiding and aligning filamentous cyanobacteria by light patterns, we intend to build an active network in the scaffold, capable of contracting upon stimulation by switching light patterns. Forces from the active network will be transduced to the matrix either by adhesion or by mechanical interlocking between active and passive constituents. By tuning the mutual alignment of active and passive networks, their anisotropy, and their mechanical properties, we aim for a control of the actuation direction. On long timescales, the material is supposed to be adaptive, because long-term exposure to light patterns may induce a reassembly of the active network into different topologies, allowing it to switch between actuation modes. Designing manipulation strategies capable of extracting mechanical work requires knowledge of the spatio-temporal organization of the gliding force generation of individual filaments and their ensembles, which is currently unavailable and will be determined here. In contrast to most previously studied living actuators, our system is based on long, flexible and motile polymeric constituents that are exceedingly robust and inherently stimulatable by light: The fiber-like nature of the living constituents allows us to create strongly entangled networks that dwell in a wide range of ambient conditions. Their motility and responsivity allows for an actuation of the network itself, without the need for sophisticated modifications of the living constituents.
https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140632
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