Effect of illumination, nanoparticles, and magnetic field on bioconvection of Chlamydomonas reinhardtii

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2024-06-19

Department

Major/Subject

Materials Physics and Quantum Technology

Mcode

SCI3107

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

76+1

Series

Abstract

It is known from literature that certain swimming microorganisms, such as the unicellular alga Chlamydomonas reinhardtii (CR), form bioconvection patterns when left unmixed in a liquid culture. Bioconvection is caused by the swimming behaviour of the microorganisms that is biased by their responses to environmental stimuli. CR tends to align itself against gravity (negative gravitaxis) and towards downwelling flow (gyrotaxis). In addition, CR can swim towards or away from light (positive and negative phototaxis). Response to magnetic field can be established by immersing the cells in a biocompatible ferrofluid. A ferrofluid consists of superparamagnetic iron oxide nanoparticles suspended in a liquid phase. In this thesis, the impact of light, ferrofluid and magnetic field on the bioconvection of CR was studied experimentally. Pattern formation in a liquid culture in quasi-2D geometry was observed over time. Positive phototaxis was utilized to enhance plume formation. It was discovered that in the narrowest geometry, pattern formation was delayed compared to literature, but it eventually occurred. To study the effect of ferrofluid on bioconvection, pattern formation without ferrofluid and with different ferrofluid concentrations was compared. It was discovered that a low concentration of ferrofluid had hardly any effect on bioconvection patterns, whereas higher ferrofluid concentration delayed and prevented plume formation. Ferrofluid impacts the environmental stimuli experienced by CR: it has a higher density than culture medium, which impacts gravitactic reorientation of CR, and it absorbs light, which impacts photo-taxis of CR. When magnetic field was applied, the force exerted by the ferrofluid to the cells acted opposite to gravity and suppressed the formed bioconvection pattern.

Kirjallisuudesta tiedetään, että tietyt uivat mikro-organismit, kuten yk-sisoluinen levä Chlamydomonas reinhardtii (CR), muodostavat biokon-vektiokuvioita sekoittamattomassa nestemäisessä kasvustossa. Biokonvektion aiheuttaa mikro-organismien uintityyli, jota niiden reaktio ulkoisiin ärsykkeisiin vinouttaa. CR:llä on taipumus kääntyä painovoimaa vastaan (negatiivinen gravitaksis) ja uida kohti vajoavaa virtausta (gyrotaksis). Lisäksi CR ui kohti valoa tai poispäin valosta (positiivinen ja negatiivinen fototaksis). CR voidaan saada reagoimaan magneettikenttään, jos solut sekoitetaan bioyhteensopivaan ferrofluidiin. Ferrofluidi koostuu superparamagneettisista rautaoksidinanopartikkeleista sekoitettuna nestefaasiin. Tässä työssä tutkittiin kokeellisesti valon, ferrofluidin ja magneettikentän vaikutusta CR:n biokonvektioon. Kuvioiden kehittymistä ajan myötä havainnoitiin nestemäisessä soluviljelmässä näennäiskaksiulotteisessa geometriassa. Positiivista fototaksista hyödynnettiin biokonvektion parantamiseen. Kapeimmassa geometriassa kuvioiden muodostuminen hidastui selvästi kirjallisuuteen nähden, mutta kuvioita muodostui lopulta. Ferrofluidin vaikutusta biokonvektioon tutkittiin vertailemalla biokonvektiota ilman ferrofluidia sekä eri ferrofluidipitoisuuksien kanssa. Matala ferrofluidipitoisuus ei juuri vaikuttanut muodostuneisiin kuvioihin, kun taas korkea ferrofluidipitoisuus hidasti ja esti biokonvektiokuvioiden muodostumisen. Ferrofluidi vaikuttaa CR:n kokemiin ärsykkeisiin: kasvatusliuosta korkeampi tiheys vaikuttaa gravitaksikseen, kun taas lisääntynyt absorptio muuttaa fototaksista. Kun näytteeseen kohdistettiin magneettikenttä, ferrofluidi kohdisti painovoiman vastaisen voiman soluihin, mikä vaimensi muodostunutta biokonvektiokuviota.

Description

Supervisor

Timonen, Jaakko

Thesis advisor

Sohrabi, Fereshteh

Keywords

bioconvection, Chlamydomonas reinhardtii, ferrofluid, active matter

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406234895

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI