Bakterier, der optager enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er), fortsætter med at dele sig som normalt og videregiver endda de resulterende ekstra kapaciteter til deres efterkommere. Dette resultat, som for nylig blev demonstreret af forskere ved EPFL i Schweiz, danner grundlaget for et nyt felt, de kalder "nedarvet nanobionics". Forskerne mener, at de modificerede bakterier kan bruges til at lave levende solceller - energiproducerende enheder, som de siger kunne give "en reel løsning på vores igangværende energikrise og indsats mod klimaændringer".
SWCNT'er er oprullede plader af kulstof, der kun er et atom tykt, med en total diameter på omkring 1 nm. De kan prale af fremragende elektriske, optiske og mekaniske egenskaber, der gør dem ideelle til mange applikationer inden for nanobioteknologi. Forskere har for eksempel placeret disse nanostrukturer i pattedyrsceller for at overvåge stofskiftet ved hjælp af nær-infrarødt lys, der udsendes af nanorørene. Det udsendte lys kan også bruges til at afbilde biologisk væv dybt inde i kroppen og hjælpe med at levere terapeutiske lægemidler ind i cellerne. I planteceller er SWCNT'er endda blevet brugt til at redigere genomer.
SWCNT-optagelse er passiv, længdeafhængig og selektiv
I det nye arbejde har forskere ledet af Ardemis Boghossian begyndte med at pakke SWCNT'er med en positivt ladet proteincoating. Nanostrukturerne var derefter i stand til at interagere med de negativt ladede ydre membraner, der omgiver de bakterieceller, de undersøgte, og som kommer fra slægten Synechocystis , ustos. Førstnævnte er encellet og sfærisk, mens sidstnævnte er flercellet og har en slangelignende form. Begge er Gram-negative bakterier (såkaldte fordi de har en tynd cellevæg samt en ekstra ydre membran, hvilket betyder, at de ikke bevarer farvestoffet, der bruges i en almindelig test kendt som en Gram-farve), og de tilhører Cyanobakterier phylum. Denne gruppe af bakterier får deres energi gennem fotosyntese, ligesom planter.
Boghossian og kolleger fandt, at begge dele Synechocystis , ustos tog SWCNT'erne op gennem en passiv, længdeafhængig og selektiv proces, der gør det muligt for nanopartiklerne spontant at trænge ind i mikroorganismernes cellevægge. De opdagede også, at nanorørene kunne afbildes meget tydeligt i det infrarøde, fordi de fluorescerer i denne region af det elektromagnetiske spektrum. Denne lysemission gjorde det faktisk muligt for forskerne at se, at SWCNT'erne blev videregivet til bakteriernes såkaldte datterceller, når de deler sig. Dattercellerne arver således nanorørets exceptionelle egenskaber.
Som et kunstigt lem
"Vi kalder dette 'nedarvet nanobionics'," forklarer Boghossian. "Det er som at have et kunstigt lem, der giver dig evner ud over, hvad du kan opnå naturligt. Og forestil dig nu, at dine børn kan arve dets egenskaber fra dig, når de bliver født. Ikke alene har vi givet bakterierne denne kunstige adfærd, men denne adfærd er også nedarvet af deres efterkommere."
Og det var ikke alt: Forskerne fandt også ud af, at bakterier, der indeholder nanorør, producerer en væsentlig større mængde elektricitet, når de belyses med lys, end bakterier uden nanorør. "Sådanne 'levende solcelleanlæg' drager fordel af et kulstofaftryk, der er negativt - de optager aktivt, i stedet for at frigive, kuldioxid," fortæller Boghossian Fysik verden. "Dette er i modsætning til konventionelle solceller, som samtidig med at de udnytter vores mest rigelige energikilde - Solen - genererer en masse kuldioxid under fremstillingsfasen." Dette er solcellernes "beskidte hemmelighed", siger hun.
Levende solcelleanlæg har også andre vigtige fordele: de har automatiserede mekanismer til optimering af lysabsorption; kan selv reparere; og vigtigst af alt, kan reproducere, tilføjer hun. “Du behøver ikke bekymre dig om at bygge en fabrik til at fremstille hver enkelt celle. Disse celler bruger den kuldioxid, de optager, til automatisk at reparere og gøre mere ud af sig selv. De er afhængige af jordrige materialer, og de er billige. Dette er en materialevidenskabelig drøm."
Anvendelsesområder
Værket, som er detaljeret i Natur Nanoteknologi, fremhæver applikationer, der fokuserer på lysindsamling samt fluorescensbilleddannelse. "Billeddannelsen, for eksempel, giver os ikke kun mulighed for at spore cellerne på tværs af generationer, vi er også i stand til at bruge denne teknologi til at skelne mellem levende og ikke-levende celler og forskellige celletyper." Boghossian siger.
Grafen 'tromler' opfanger vibrationer fra individuelle bakterier
Forskerne kunne endda spore dannelsen af forskellige dele af bakteriemembranerne efter celledeling takket være lyset udsendt af nanorørene og overvåge fysisk-kemiske ændringer inde i cellerne. "Det særlige ved denne applikation er, at det udsendte lys er forskelligt fra det lys, der naturligt udsendes af cellerne, så vi behøver ikke bekymre os om forstyrrende signaler, der har begrænset andre sådanne teknologier," siger Boghossian.
At være i stand til at introducere CNT'er i bakterier på denne måde kunne også føre til nye anvendelser inden for terapeutika eller DNA-levering, som tidligere var hindret af de svært gennemtrængelige bakterielle cellevægge.
EPFL-teamet studerer nu måder at omprogrammere deres bakterieceller til at producere elektricitet ved at modificere deres DNA. "Lyshøstende organismer er naturligvis ikke særlig effektive til at producere elektricitet," forklarer Boghossian. "Dette er, fordi de er blevet konstrueret af naturen til overlevelse, ikke solcelleanlæg. Med den nylige udvidelse af syntetisk biologi er vi nu i stand til at genbruge disse celler, så de er genetisk tilbøjelige til at producere elektricitet."
