Holographic patterning of functional materials using phototactic microorganisms
Final Report Abstract
Im Rahmen des Reinhart-Koselleck Projekts "Holographische Strukturierung von Funktionsmaterialien mittels phototaktischer Mikroorganismen" wurden die Grundlagen für die Strukturierung von phototaktisch aktiven Mikroben mittels einer digital erzeugten, diffraktiven Beleuchtung erarbeitet. Hierbei zeigte sich, dass sich die verwendeten Organismen mittels der entwickelten Methode zuverlässig und replizierbar strukturieren lassen. Das Erreichen einer detaillierten räumlichen Anordnung von Mikroben setzte bislang eine vorangehende Strukturierung des Substrats voraus. Daher bietet der von uns entwickelte Ansatz zum ersten Mal die Möglichkeit, eine in-situ Strukturierung phototaktischer Mikroorganismen mit hoher räumlicher Auflösung und Komplexität berührungslos durch ein eingestrahltes Lichtmuster vorzunehmen. Die Strukturierung der Mikroorgansimen wird hauptsächlich an der Grenzfläche Luft/Nährmedium beobachtet. Die Anwendbarkeit der Methode und der zugängliche Parameterraum für die phototaktische Strukturierung wird dadurch beschränkt, dass die Mikroorganismen in einem für sie angepassten Medium lebens- und funktionsfähig (Lebensraum) gehalten werden müssen. So macht beispielsweise die gleitende Fortbewegung der phototaktischen Mikroorganismen die Bereitstellung einer Oberfläche in Form eines angedickten (Nähr-)Mediums erforderlich. Dieses wiederum streut das zur Strukturierung benötigte einfallende Licht, weshalb die Detailgenauigkeit der erzeugten Strukturen durch die Auflösung des diffraktierten Lichtmusters begrenzt wird. Weiterhin konnten grundlegend neue Erkenntnisse über den Mechanismus der lichtinduzierten Orientierung von Rotalgen gewonnen werden. Das Fehlen eines Augenorganells bedingt eine Doppelfunktion der phototaktischen Elemente. In Cyanobakterien und Grünalgen konnte die Orientierung jüngst einem Linseneffekt der Zellen selbst zugeschrieben werden. Dabei wird das eintreffende Licht auf der lichtabgewandten Seite der Zellen konzentriert und so über den phototaktischen Apparat eine Richtungsinformation generiert. Dieser Effekt wird in Rotalgen durch die Absorption über den Zellquerschnitt negiert. Darüber hinaus sind die phototaktischen Elemente bei den Rotalgen nicht wie in Cyanobakterien gleichmäßig über den Zellumfang verteilt. Durch eine kombinierte spektroskopische und simulatorische Herangehensweise konnte hierzu eine erweiterte Hypothese etabliert werden. Diese berücksichtigt nicht die absolute Lichtintensität, sondern die spektrale Qualität. Letztere ändert sich mit dem Auftreffwinkel auf die photosynthetischen Elemente, was die Hypothese unterstützt, dass dieser für das die Richtung anzeigende Signal maßgeblich ist. Derartige grundlegende Arbeiten zum Mechanismus der Phototaxis stand zu Beginn des Projekts nicht im Fokus der Untersuchungen. Daher ist es umso mehr erfreulich, dass wir mit diesem Projekt einen wichtigen Beitrag zur Klärung des Mechanismus der orientierten Bewegung phototaktischer Mikroorganismen leisten konnten.
Publications
- ’A perspective on bio-mediated material structuring’. Advanced Materials 30(19), 1–18 (2018)
Deuerling S, Kugler S, Klotz M, Zollfrank C & Van Opdenbosch D
(See online at https://doi.org/10.1002/adma.201703656)
