Bacterial microswimmers as active particles in colloidal liquid crystals.

par Lachlan Alexander

Thèse de doctorat en Lasers, Matière et Nanosciences

Sous la direction de Eric Grelet.

Le président du jury était Cécile Zakri.

Le jury était composé de Eric Grelet, Cécile Zakri, Anke Lindner, Julien Tailleur, Hamid Kellay.

Les rapporteurs étaient Anke Lindner, Julien Tailleur.

  • Titre traduit

    Des micronageurs bactériens comme particules actives dans des cristaux liquides colloïdaux.


  • Résumé

    L’étude de particules actives autopropulsées a ouvert de nouvelles perspectives à la physique statistique hors d’équilibre grâce à la découverte de nombreux phénomènes qui ont mené à des développements fondamentaux originaux. La matière active présente des dynamiques complexes d’auto-organisation spatio-temporelle et de mouvements collectifs, et ce simplement en introduisant une motilité locale et des interactions élémentaires entre particules. Fondamentalement, l’activité joue un grand rôle dans les comportements des organismes vivants. Etant optimisées par l’évolution pour nager de manière efficace tout en étant extrêmement communes, les bactéries constituent un système idéal de particules browniennes actives. Leur motilité joue un rôle important dans les phénomènes d’infection et dans la structure de leur environnement. Récemment, plusieurs travaux ont étudié leurs comportements dans des fluides complexes, tels que des cristaux liquides moléculaires et des matrices d’ADN. L’un des principaux résultats est le contrôle de la direction de la nage par le directeur nématique. Cependant, peu d’investigations concernent les bactéries dans des milieux composés de particules colloïdales anisotropes. En utilisant Bacillus subtilis et Escherichia coli, des micronageurs bactériens bien connus, nous avons déterminé les changements de comportements de ces micronageurs dans des matrices liquides isotropes et des suspensions cristal-liquides formées de virus fd, une particule colloïdale monodipserse en taille et semi-flexible, largement utilisée en matière molle comme bâtonnet brownien modèle. Nous avons découvert que dans la phase isotrope, Bacillus subtilis nage jusqu’à trois fois plus vite qu’en l’absence de virus. Cette augmentation de la vitesse a lieu malgré une hausse de la viscosité et de l’élasticité du milieu, et a été également observée au début du domaine nématique, où les bactéries nagent en suivant l’orientation des particules. Nous avons aussi montré que les propriétés des suspensions de virus fd, telles que la tension interfaciale isotrope-nématique, peuvent changer le comportement des micronageurs, tout comme l’effet de la périodicité lamellaire unidimensionnelle de la phase smectique. Ce travail illustre comment des différences mineures entre micronageurs apparemment similaires associées à un couplage avec les composantes du milieu environnant, peuvent fortement impacter les comportements de motilité. Nos résultats peuvent aussi potentiellement éclairer les aspects actuellement méconnus de la mécanique de nage des bactéries, et plus spécifiquement la dynamique du regroupement flagellaire, à travers les interactions virus-flagelles.


  • Résumé

    The study of self-propelling active particles has brought impetus to nonequilibrium statistical physics through the discovery of new phenomena which led to an expansion of fundamental theory. Active matter systems can display complex dynamics, such as spatiotemporal self-organisation and collective motion, solely from localised motility and simple particle interactions. Crucially, activity plays a large role in the behaviour of living organisms. Being exceedingly common and having been optimised for swimming by evolution, bacteria provide us with ideal systems of Brownian active particles. Their motility plays a key role in many aspects, from infections to the structure of their environments. In recent years, there have been an increasing number of studies into how they behave in complex fluids, such as in molecular liquid crystals and DNA matrices. A key result of these works is the control of swimming orientation by the nematic director. However, bacteria have scarcely been tested in media containing colloidal particles with similar length scales. Using Bacillus subtilis and Escherichia coli, both well-established species of biological swimmers, we determine how these microswimmers change their behaviour in isotropic liquid and liquid crystalline suspensions of fd viruses, widely used in soft matter as model semi-flexible monodisperse rod-like colloidal particles. We discover that, in the isotropic phase, Bacillus subtilis swims with speeds up to three times that of when no viruses are present. This enhancement occurs despite an increase in viscosity and elasticity of the surrounding medium and still occurs in the early nematic phase, where bacteria swim along the rod orientation. We also show how the phase properties of fd virus suspensions, such as the isotropic-nematic interfacial tension, affect the behaviour of our swimmers and demonstrate the effect the one-dimensional periodic layers of the smectic phase has on bacterial velocities. This work serves as an example of how small differences in seemingly similar swimmers and the relative size of the components in complex systems can lead to large differences in behaviour. We foresee that our results will prompt investigations with more varied swimmers and colloidal rod-like particles which could eventually be implemented to separate, direct and optimise specific swimmers. Our results could also shed light on the currently unknown aspects of bacterial swimming mechanics, specifically in flagellar bundling dynamics, via possible virus-flagella interactions.



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