Τα βακτήρια που καταλαμβάνουν νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNTs) συνεχίζουν να διαιρούνται κανονικά και μάλιστα μεταβιβάζουν τις προκύπτουσες επιπλέον δυνατότητες στους απογόνους τους. Αυτό το αποτέλεσμα, το οποίο επιδείχθηκε πρόσφατα από ερευνητές στο EPFL στην Ελβετία, αποτελεί τη βάση ενός νέου πεδίου που αποκαλούν «κληρονομική νανοβιονική». Οι ερευνητές πιστεύουν ότι τα τροποποιημένα βακτήρια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ζωντανών φωτοβολταϊκών – συσκευών παραγωγής ενέργειας που λένε ότι θα μπορούσαν να δώσουν «μια πραγματική λύση στη συνεχιζόμενη ενεργειακή μας κρίση και στις προσπάθειές μας κατά της κλιματικής αλλαγής».
Τα SWCNT είναι τυλιγμένα φύλλα άνθρακα πάχους μόνο ενός ατόμου, με συνολική διάμετρο περίπου 1 nm. Διαθέτουν εξαιρετικές ηλεκτρικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες που τα καθιστούν ιδανικά για πολλές εφαρμογές στον τομέα της νανοβιοτεχνολογίας. Οι ερευνητές, για παράδειγμα, έχουν τοποθετήσει αυτές τις νανοδομές σε κύτταρα θηλαστικών για να παρακολουθούν τον μεταβολισμό χρησιμοποιώντας κοντινό υπέρυθρο φως που εκπέμπεται από τους νανοσωλήνες. Το φως που εκπέμπεται μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση βιολογικού ιστού βαθιά μέσα στο σώμα και να βοηθήσει στην παροχή θεραπευτικών φαρμάκων στα κύτταρα. Στα φυτικά κύτταρα, τα SWCNTs έχουν χρησιμοποιηθεί ακόμη και για την επεξεργασία γονιδιωμάτων.
Η λήψη SWCNT είναι παθητική, εξαρτάται από το μήκος και επιλεκτική
Στη νέα εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής Αρδέμης Μπογκοσιάν ξεκίνησε με το τύλιγμα των SWCNTs με μια θετικά φορτισμένη πρωτεϊνική επικάλυψη. Οι νανοδομές μπόρεσαν στη συνέχεια να αλληλεπιδράσουν με τις αρνητικά φορτισμένες εξωτερικές μεμβράνες που περιβάλλουν τα βακτηριακά κύτταρα που μελέτησαν, τα οποία προέρχονται από το γένος Συνεχοκύστης και Νόστος. Το πρώτο είναι μονοκύτταρο και σφαιρικό ενώ το δεύτερο είναι πολυκύτταρο και έχει σχήμα φιδιού. Και τα δύο είναι αρνητικά κατά Gram βακτήρια (τα λεγόμενα επειδή έχουν ένα λεπτό κυτταρικό τοίχωμα καθώς και μια πρόσθετη εξωτερική μεμβράνη, που σημαίνει ότι δεν διατηρούν τη χρωστική που χρησιμοποιείται σε μια κοινή δοκιμή γνωστή ως χρώση Gram) και ανήκουν στην Κυανοβακτήρια ζωολογική διαίρεσις. Αυτή η ομάδα βακτηρίων αποκτά την ενέργειά τους μέσω της φωτοσύνθεσης, όπως τα φυτά.
Ο Boghossian και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι και τα δύο Συνεχοκύστης και Νόστος παρέλαβε τα SWCNTs μέσω μιας παθητικής, εξαρτώμενης από το μήκος και επιλεκτικής διαδικασίας που επιτρέπει στα νανοσωματίδια να εισέλθουν αυθόρμητα στα κυτταρικά τοιχώματα των μικροοργανισμών. Ανακάλυψαν επίσης ότι οι νανοσωλήνες μπορούσαν να απεικονιστούν πολύ καθαρά στο υπέρυθρο επειδή φθορίζουν σε αυτή την περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Πράγματι, αυτή η εκπομπή φωτός επέτρεψε στους ερευνητές να δουν ότι οι SWCNTs περνούσαν στα λεγόμενα θυγατρικά κύτταρα των βακτηρίων όταν διαιρούνται. Τα θυγατρικά κύτταρα κληρονομούν έτσι τις εξαιρετικές ιδιότητες των νανοσωλήνων.
Σαν τεχνητό μέλος
«Αυτό το ονομάζουμε «κληρονομική νανοβιονική»», εξηγεί ο Boghossian. «Είναι σαν να έχεις ένα τεχνητό μέλος που σου δίνει δυνατότητες πέρα από αυτό που μπορείς να πετύχεις φυσικά. Και τώρα φανταστείτε ότι τα παιδιά σας μπορούν να κληρονομήσουν τις ιδιότητές του από εσάς όταν γεννηθούν. Όχι μόνο μεταδώσαμε στα βακτήρια αυτή την τεχνητή συμπεριφορά, αλλά αυτή η συμπεριφορά κληρονομείται επίσης από τους απογόνους τους».
Και δεν ήταν μόνο αυτό: οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι τα βακτήρια που περιέχουν νανοσωλήνες παράγουν σημαντικά μεγαλύτερη ποσότητα ηλεκτρισμού όταν φωτίζονται με φως από τα βακτήρια χωρίς νανοσωλήνες. «Τέτοια «ζωντανά φωτοβολταϊκά» επωφελούνται από ένα αποτύπωμα άνθρακα που είναι αρνητικό – απορροφούν ενεργά, αντί να απελευθερώνουν, διοξείδιο του άνθρακα», λέει ο Boghossian. Κόσμος Φυσικής. "Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά, τα οποία ενώ εκμεταλλεύονται την πιο άφθονη πηγή ενέργειας μας - τον Ήλιο - παράγουν πολύ διοξείδιο του άνθρακα κατά το στάδιο της κατασκευής." Αυτό είναι το «βρώμικο μυστικό» των φωτοβολταϊκών, λέει.
Τα ζωντανά φωτοβολταϊκά έχουν επίσης άλλα σημαντικά πλεονεκτήματα: διαθέτουν αυτοματοποιημένους μηχανισμούς για τη βελτιστοποίηση της απορρόφησης φωτός. μπορεί να αυτο-επισκευαστεί? και το σημαντικότερο, μπορεί να αναπαραχθεί, προσθέτει. «Δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για την κατασκευή ενός εργοστασίου για την κατασκευή κάθε μεμονωμένης κυψέλης. Αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα που προσλαμβάνουν για να επισκευάσουν αυτόματα και να φτιάξουν περισσότερο τον εαυτό τους. Βασίζονται σε υλικά με αφθονία στη γη και είναι φθηνά. Αυτό είναι ένα όνειρο της επιστήμης των υλικών».
Τομείς εφαρμογής
Η εργασία, η οποία περιγράφεται αναλυτικά στο Φύση Νανοτεχνολογία, τονίζει εφαρμογές που εστιάζουν στη συλλογή φωτός καθώς και στην απεικόνιση φθορισμού. «Η απεικόνιση, για παράδειγμα, όχι μόνο μας επιτρέπει να παρακολουθούμε τα κύτταρα σε γενεές, αλλά μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την τεχνολογία για να διαφοροποιήσουμε μεταξύ ζωντανών και μη κυττάρων και διαφορετικών τύπων κυττάρων». λέει ο Boghossian.
Τα «τύμπανα» γραφενίου μαζεύουν δονήσεις από μεμονωμένα βακτήρια
Οι ερευνητές μπορούσαν ακόμη και να παρακολουθήσουν το σχηματισμό διαφορετικών τμημάτων των βακτηριακών μεμβρανών μετά την κυτταρική διαίρεση χάρη στο φως που εκπέμπεται από τους νανοσωλήνες και να παρακολουθούν τις φυσικοχημικές αλλαγές μέσα στα κύτταρα. «Το ιδιαίτερο με αυτή την εφαρμογή είναι ότι το εκπεμπόμενο φως είναι διαφορετικό από το φως που εκπέμπεται φυσικά από τα κύτταρα, επομένως δεν χρειάζεται να ανησυχούμε για παρεμβολές σημάτων που έχουν περιοριστεί σε άλλες τέτοιες τεχνολογίες», λέει ο Boghossian.
Η δυνατότητα εισαγωγής CNTs στα βακτήρια με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε νέες εφαρμογές στη θεραπευτική ή στην παροχή DNA που προηγουμένως παρεμποδίζονταν από τα δύσκολα διεισδύοντα βακτηριακά κυτταρικά τοιχώματα.
Η ομάδα του EPFL μελετά τώρα τρόπους επαναπρογραμματισμού των βακτηριακών τους κυττάρων ώστε να παράγουν ηλεκτρισμό τροποποιώντας το DNA τους. «Οι οργανισμοί που συγκομίζουν το φως δεν είναι φυσικά πολύ αποτελεσματικοί στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας», εξηγεί ο Boghossian. «Αυτό συμβαίνει επειδή έχουν κατασκευαστεί από τη Φύση για επιβίωση, όχι φωτοβολταϊκά. Με την πρόσφατη επέκταση της συνθετικής βιολογίας, είμαστε τώρα σε θέση να επαναχρησιμοποιήσουμε αυτά τα κύτταρα έτσι ώστε να έχουν γενετική τάση να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια».
