تستمر البكتيريا التي تتناول الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) في الانقسام كالمعتاد وحتى تنقل القدرات الإضافية الناتجة إلى أحفادها. هذه النتيجة ، التي تم توضيحها مؤخرًا من قبل الباحثين في EPFL في سويسرا ، تشكل أساس مجال جديد يسمونه "علم النانو الموروث". يعتقد الباحثون أنه يمكن استخدام البكتيريا المعدلة في إنتاج الخلايا الكهروضوئية الحية - وهي أجهزة منتجة للطاقة يقولون إنها يمكن أن توفر "حلًا حقيقيًا لأزمة الطاقة المستمرة والجهود المبذولة لمكافحة تغير المناخ".
SWCNTs عبارة عن صفائح ملفوفة من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط ، ويبلغ قطرها الإجمالي حوالي 1 نانومتر. تتميز بخصائص كهربائية وبصرية وميكانيكية ممتازة تجعلها مثالية للعديد من التطبيقات في مجال التكنولوجيا الحيوية النانوية. على سبيل المثال ، وضع الباحثون هذه الهياكل النانوية في خلايا الثدييات لمراقبة عملية التمثيل الغذائي باستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة المنبعث من الأنابيب النانوية. يمكن أيضًا استخدام الضوء المنبعث لتصوير الأنسجة البيولوجية في أعماق الجسم والمساعدة في توصيل الأدوية العلاجية إلى الخلايا. في الخلايا النباتية ، تم استخدام SWCNTs لتحرير الجينوم.
يعتبر أخذ SWCNT سلبيًا ويعتمد على الطول وانتقائيًا
في العمل الجديد ، بقيادة الباحثين أرديميس بوغوصيان بدأ بلف SWCNTs بطبقة بروتينية موجبة الشحنة. كانت البنى النانوية قادرة بعد ذلك على التفاعل مع الأغشية الخارجية سالبة الشحنة المحيطة بالخلايا البكتيرية التي درسوها ، والتي تأتي من الجنس متزامن و نوستوس. الأول أحادي الخلية وكروي بينما الأخير متعدد الخلايا وله شكل يشبه الثعبان. كلاهما عبارة عن بكتيريا سالبة الجرام (يطلق عليهما لأنهما يحتويان على جدار خلوي رقيق بالإضافة إلى غشاء خارجي إضافي ، مما يعني أنهما لا يحتفظان بالصبغة المستخدمة في اختبار شائع يُعرف باسم صبغة جرام) ، وينتميان إلى البكتيريا الزرقاء الشعبة. تحصل هذه المجموعة من البكتيريا على طاقتها من خلال التمثيل الضوئي ، مثل النباتات.
وجد بوغوصيان وزملاؤه كلا الأمرين متزامن و نوستوس تناولت SWCNTs من خلال عملية انتقائية وسلبية تعتمد على الطول تسمح للجسيمات النانوية بالدخول تلقائيًا إلى جدران خلايا الكائنات الحية الدقيقة. اكتشفوا أيضًا أن الأنابيب النانوية يمكن تصويرها بوضوح شديد في الأشعة تحت الحمراء لأنها تتألق في هذه المنطقة من الطيف الكهرومغناطيسي. في الواقع ، سمح هذا الانبعاث الضوئي للباحثين برؤية أن SWCNTs تنتقل إلى ما يسمى بالخلايا الوليدة للبكتيريا عندما تنقسم. وهكذا ترث الخلايا الوليدة الخصائص الاستثنائية للأنابيب النانوية.
مثل طرف اصطناعي
يوضح بوغوصيان: "نحن نطلق على هذا" علم النانو الموروث ". "الأمر يشبه امتلاك طرف اصطناعي يمنحك قدرات تفوق ما يمكنك تحقيقه بشكل طبيعي. والآن تخيل أن أطفالك يمكنهم أن يرثوا ممتلكاته منك عندما يولدون. لم نقم فقط بنقل البكتيريا بهذا السلوك الاصطناعي ، ولكن هذا السلوك موروث أيضًا من قبل أحفادهم ".
ولم يكن هذا كل شيء: وجد الباحثون أيضًا أن البكتيريا المحتوية على الأنابيب النانوية تنتج كمية أكبر بكثير من الكهرباء عند إضاءتها بالضوء مقارنة بالبكتيريا التي لا تحتوي على أنابيب نانوية. يقول بوغوصيان: "تستفيد هذه" الخلايا الكهروضوئية الحية "من البصمة الكربونية السلبية - فهي تمتص ثاني أكسيد الكربون بدلاً من إطلاقها". عالم الفيزياء. "هذا على عكس الخلايا الكهروضوئية التقليدية ، والتي بينما تستفيد من مصدر الطاقة الأكثر وفرة لدينا - الشمس - تولد الكثير من ثاني أكسيد الكربون أثناء مرحلة التصنيع." هذا هو "السر القذر" للخلايا الكهروضوئية ، كما تقول.
تتمتع الخلايا الكهروضوئية الحية أيضًا بمزايا مهمة أخرى: فهي تمتلك آليات آلية لتحسين امتصاص الضوء ؛ يمكن الإصلاح الذاتي والأهم من ذلك ، يمكنها التكاثر ، كما تضيف. "لا داعي للقلق بشأن بناء مصنع لتصنيع كل خلية على حدة. تستخدم هذه الخلايا ثاني أكسيد الكربون الذي تتناوله لإصلاحها تلقائيًا وصنع المزيد من نفسها. إنهم يعتمدون على مواد وفيرة ، وهي رخيصة الثمن. هذا حلم علم المواد ".
مجالات التطبيق
العمل الذي تم تفصيله في طبيعة التكنولوجيا النانوية، يسلط الضوء على التطبيقات التي تركز على حصاد الضوء وكذلك التصوير الفلوري. "التصوير ، على سبيل المثال ، لا يسمح لنا فقط بتتبع الخلايا عبر الأجيال ، بل يمكننا أيضًا استخدام هذه التقنية للتمييز بين الخلايا الحية وغير الحية وأنواع الخلايا المختلفة." يقول بوغوصيان.
تلتقط "براميل" الجرافين الاهتزازات من البكتيريا الفردية
يمكن للباحثين تتبع تكوين أجزاء مختلفة من الأغشية البكتيرية بعد انقسام الخلية بفضل الضوء المنبعث من الأنابيب النانوية ومراقبة التغيرات الفيزيائية والكيميائية داخل الخلايا. يقول بوغوصيان: "ما يميز هذا التطبيق هو أن الضوء المنبعث يختلف عن الضوء المنبعث بشكل طبيعي من الخلايا ، لذلك لا داعي للقلق بشأن الإشارات المتداخلة التي حدت من مثل هذه التقنيات الأخرى".
قد تؤدي القدرة على إدخال CNT في البكتيريا بهذه الطريقة أيضًا إلى تطبيقات جديدة في العلاجات أو توصيل الحمض النووي التي أعاقتها في السابق جدران الخلايا البكتيرية التي يصعب اختراقها.
يدرس فريق EPFL الآن طرقًا لإعادة برمجة خلاياهم البكتيرية لإنتاج الكهرباء عن طريق تعديل الحمض النووي الخاص بهم. يشرح بوغوصيان أن "كائنات حصاد الضوء بطبيعتها ليست فعالة جدًا في إنتاج الكهرباء". هذا لأن الطبيعة صممت من أجل البقاء وليس الخلايا الكهروضوئية. مع التوسع الأخير في البيولوجيا التركيبية ، نحن الآن في وضع يسمح لنا بإعادة استخدام هذه الخلايا بحيث تميل وراثيًا لإنتاج الكهرباء ".
