Bakterien, die einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) aufnehmen, teilen sich normal weiter und geben die daraus resultierenden zusätzlichen Fähigkeiten sogar an ihre Nachkommen weiter. Dieses Ergebnis, das kürzlich von Forschern der EPFL in der Schweiz demonstriert wurde, bildet die Grundlage für ein neues Gebiet, das sie „vererbte Nanobionik“ nennen. Die Forscher glauben, dass die modifizierten Bakterien verwendet werden könnten, um lebende Photovoltaik herzustellen – energieerzeugende Geräte, von denen sie sagen, dass sie „eine echte Lösung für unsere anhaltende Energiekrise und unsere Bemühungen gegen den Klimawandel“ darstellen könnten.
SWCNTs sind aufgerollte Kohlenstoffschichten, die nur ein Atom dick sind und einen Gesamtdurchmesser von etwa 1 nm haben. Sie verfügen über hervorragende elektrische, optische und mechanische Eigenschaften, die sie ideal für viele Anwendungen im Bereich der Nanobiotechnologie machen. Forscher haben diese Nanostrukturen beispielsweise in Säugetierzellen platziert, um den Stoffwechsel mithilfe von Nahinfrarotlicht zu überwachen, das von den Nanoröhren emittiert wird. Das emittierte Licht kann auch verwendet werden, um biologisches Gewebe tief im Inneren des Körpers abzubilden und dabei zu helfen, therapeutische Medikamente in Zellen zu transportieren. In Pflanzenzellen wurden SWCNTs sogar zur Bearbeitung von Genomen verwendet.
Die SWCNT-Aufnahme ist passiv, längenabhängig und selektiv
In der neuen Arbeit führten Forscher durch Ardemis Boghossian begannen damit, SWCNTs mit einer positiv geladenen Proteinhülle zu umhüllen. Die Nanostrukturen konnten dann mit den negativ geladenen äußeren Membranen interagieren, die die von ihnen untersuchten Bakterienzellen umgeben, die aus der Gattung stammen Synechozystis und Nostos. Ersteres ist einzellig und kugelförmig, während letzteres mehrzellig ist und eine schlangenartige Form hat. Beide sind gramnegative Bakterien (so genannt, weil sie eine dünne Zellwand sowie eine zusätzliche äußere Membran haben, was bedeutet, dass sie den Farbstoff, der in einem gängigen Test, der als Gram-Färbung bekannt ist, verwendet werden, nicht zurückhalten) und sie gehören zu den Cyanobakterien Stamm. Diese Bakteriengruppe bezieht ihre Energie wie Pflanzen durch Photosynthese.
Boghossian und Kollegen fanden beides heraus Synechozystis und Nostos nahmen die SWCNTs durch einen passiven, längenabhängigen und selektiven Prozess auf, der es den Nanopartikeln ermöglicht, spontan in die Zellwände der Mikroorganismen einzudringen. Sie entdeckten auch, dass die Nanoröhren im Infraroten sehr gut abgebildet werden können, weil sie in diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums fluoreszieren. Tatsächlich konnten die Forscher anhand dieser Lichtemission erkennen, dass die SWCNTs bei ihrer Teilung an die sogenannten Tochterzellen der Bakterien weitergegeben wurden. Die Tochterzellen erben somit die außergewöhnlichen Eigenschaften der Nanoröhren.
Wie ein künstliches Glied
„Wir nennen das ‚vererbte Nanobionik'“, erklärt Boghossian. „Es ist, als hätte man ein künstliches Glied, das einem Fähigkeiten verleiht, die über das hinausgehen, was man auf natürliche Weise erreichen kann. Und jetzt stellen Sie sich vor, dass Ihre Kinder seine Eigenschaften von Ihnen erben können, wenn sie geboren werden. Dieses künstliche Verhalten haben wir nicht nur den Bakterien mitgegeben, sondern dieses Verhalten wird auch an ihre Nachkommen vererbt.“
Und damit nicht genug: Die Forscher fanden außerdem heraus, dass Nanoröhrchen-haltige Bakterien bei Lichtbestrahlung deutlich mehr Strom produzieren als Bakterien ohne Nanoröhrchen. „Solche „lebenden Photovoltaikanlagen“ profitieren von einem negativen COXNUMX-Fußabdruck – sie nehmen aktiv Kohlendioxid auf, anstatt es freizusetzen“, sagt Boghossian Physik-Welt. „Dies steht im Gegensatz zur herkömmlichen Photovoltaik, die zwar unsere ergiebigste Energiequelle – die Sonne – nutzt, aber während der Herstellungsphase viel Kohlendioxid erzeugt.“ Das sei das „schmutzige Geheimnis“ der Photovoltaik, sagt sie.
Lebende Photovoltaik hat auch andere wichtige Vorteile: Sie verfügt über automatisierte Mechanismen zur Optimierung der Lichtabsorption; kann sich selbst reparieren; und vor allem reproduzieren können, fügt sie hinzu. „Sie müssen sich keine Sorgen um den Bau einer Fabrik machen, um jede einzelne Zelle herzustellen. Diese Zellen verwenden das Kohlendioxid, das sie aufnehmen, um sich automatisch zu reparieren und mehr aus sich selbst zu machen. Sie sind auf Materialien angewiesen, die auf der Erde reichlich vorhanden sind, und sie sind billig. Das ist ein materialwissenschaftlicher Traum.“
Anwendungsgebiete
Die Arbeit, die ausführlich in Natur Nanotechnologie, hebt Anwendungen hervor, die sich auf die Lichtsammlung sowie die Fluoreszenzbildgebung konzentrieren. „Die Bildgebung erlaubt uns zum Beispiel nicht nur, die Zellen über Generationen hinweg zu verfolgen, sondern wir können mit dieser Technologie auch zwischen lebenden und nicht lebenden Zellen sowie verschiedenen Zelltypen unterscheiden.“ sagt Boghossian.
„Trommeln“ aus Graphen nehmen Schwingungen einzelner Bakterien auf
Dank des von den Nanoröhren emittierten Lichts konnten die Forscher sogar die Bildung verschiedener Teile der Bakterienmembran nach der Zellteilung verfolgen und physikalisch-chemische Veränderungen im Inneren der Zellen überwachen. „Das Besondere an dieser Anwendung ist, dass sich das emittierte Licht von dem Licht unterscheidet, das natürlicherweise von den Zellen emittiert wird, sodass wir uns keine Gedanken über Störsignale machen müssen, die andere derartige Technologien eingeschränkt haben“, sagt Boghossian.
Die Möglichkeit, CNTs auf diese Weise in Bakterien einzubringen, könnte auch zu neuen Anwendungen in der Therapeutik oder DNA-Zuführung führen, die zuvor durch die schwer zu durchdringenden bakteriellen Zellwände behindert wurden.
Das EPFL-Team untersucht nun Möglichkeiten, ihre Bakterienzellen umzuprogrammieren, um Strom zu produzieren, indem sie ihre DNA verändern. „Lichtsammelnde Organismen sind von Natur aus nicht sehr effizient bei der Stromerzeugung“, erklärt Boghossian. „Das liegt daran, dass sie von der Natur zum Überleben entwickelt wurden, nicht für die Photovoltaik. Mit der jüngsten Expansion der synthetischen Biologie sind wir jetzt in der Lage, diese Zellen umzufunktionieren, damit sie genetisch dazu neigen, Strom zu produzieren.“
