Las bacterias que toman nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) continúan dividiéndose normalmente e incluso transmiten las capacidades adicionales resultantes a sus descendientes. Este resultado, que fue demostrado recientemente por investigadores de la EPFL en Suiza, constituye la base de un nuevo campo al que denominan "nanobiónica heredada". Los investigadores creen que las bacterias modificadas podrían usarse para hacer fotovoltaicos vivientes, dispositivos productores de energía que, según dicen, podrían proporcionar "una solución real a nuestra actual crisis energética y los esfuerzos contra el cambio climático".
Los SWCNT son láminas enrolladas de carbono de un solo átomo de espesor, con un diámetro total de aproximadamente 1 nm. Cuentan con excelentes propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas que los hacen ideales para muchas aplicaciones en el campo de la nanobiotecnología. Los investigadores, por ejemplo, colocaron estas nanoestructuras en células de mamíferos para monitorear el metabolismo usando luz infrarroja cercana emitida por los nanotubos. La luz emitida también se puede usar para obtener imágenes de tejido biológico en el interior del cuerpo y ayudar a administrar medicamentos terapéuticos en las células. En las células vegetales, los SWCNT incluso se han utilizado para editar genomas.
La adopción de SWCNT es pasiva, dependiente de la longitud y selectiva
En el nuevo trabajo, investigadores dirigidos por Ardemis Boghossian comenzó envolviendo los SWCNT con un recubrimiento de proteína con carga positiva. Luego, las nanoestructuras pudieron interactuar con las membranas externas cargadas negativamente que rodeaban las células bacterianas que estudiaron, que provienen del género sinecocistis y Nostos. El primero es unicelular y esférico, mientras que el segundo es pluricelular y tiene forma de serpiente. Ambas son bacterias Gram-negativas (llamadas así porque tienen una pared celular delgada y una membrana externa adicional, lo que significa que no retienen el tinte que se usa en una prueba común conocida como tinción de Gram) y pertenecen a la Cianobacterias filo. Este grupo de bacterias obtienen su energía a través de la fotosíntesis, al igual que las plantas.
Boghossian y sus colegas encontraron que ambos sinecocistis y Nostos absorbió los SWCNT a través de un proceso pasivo, dependiente de la longitud y selectivo que permite que las nanopartículas entren espontáneamente en las paredes celulares de los microorganismos. También descubrieron que los nanotubos podían visualizarse muy claramente en el infrarrojo porque emiten fluorescencia en esta región del espectro electromagnético. De hecho, esta emisión de luz permitió a los investigadores ver que los SWCNT se transmitían a las llamadas células hijas de la bacteria cuando se dividen. Las células hijas heredan así las propiedades excepcionales de los nanotubos.
Como un miembro artificial
“A esto lo llamamos 'nanobiónica heredada'”, explica Boghossian. “Es como tener un miembro artificial que te da capacidades más allá de lo que puedes lograr naturalmente. Y ahora imagina que tus hijos pueden heredar sus propiedades de ti cuando nazcan. No solo impartimos a las bacterias este comportamiento artificial, sino que este comportamiento también lo heredan sus descendientes”.
Y eso no fue todo: los investigadores también encontraron que las bacterias que contienen nanotubos producen una cantidad significativamente mayor de electricidad cuando se iluminan con luz que las bacterias sin nanotubos. "Tales 'fotovoltaicos vivos' se benefician de una huella de carbono que es negativa: absorben activamente, en lugar de liberar, dióxido de carbono", dice Boghossian. Mundo de la física. “Esto contrasta con la energía fotovoltaica convencional, que mientras aprovecha nuestra fuente de energía más abundante, el Sol, genera una gran cantidad de dióxido de carbono durante la etapa de fabricación”. Este es el "secreto sucio" de la energía fotovoltaica, dice ella.
Las energías fotovoltaicas vivas también tienen otras ventajas importantes: tienen mecanismos automatizados para optimizar la absorción de luz; puede autorrepararse; y lo que es más importante, puede reproducirse, agrega. “No tienes que preocuparte por construir una fábrica para fabricar cada celda individual. Estas células usan el dióxido de carbono que toman para repararse automáticamente y hacer más de sí mismas. Se basan en materiales abundantes en la tierra y son baratos. Este es un sueño de ciencia de los materiales”.
Las áreas de aplicación
La obra, que se detalla en Naturaleza Nanotecnología, destaca las aplicaciones que se centran en la captura de luz y en la formación de imágenes de fluorescencia. "La imagen, por ejemplo, no solo nos permite rastrear las células a través de generaciones, también podemos usar esta tecnología para diferenciar entre células vivas y no vivas, y diferentes tipos de células". dice Boghossian.
Los 'tambores' de grafeno captan vibraciones de bacterias individuales
Los investigadores pudieron incluso rastrear la formación de diferentes partes de las membranas bacterianas después de la división celular gracias a la luz emitida por los nanotubos y monitorear los cambios fisicoquímicos dentro de las células. “Lo especial de esta aplicación es que la luz emitida es distinta de la luz que emiten naturalmente las células, por lo que no tenemos que preocuparnos por las señales de interferencia que han limitado otras tecnologías similares”, dice Boghossian.
Ser capaz de introducir nanotubos de carbono en las bacterias de esta manera también podría dar lugar a nuevas aplicaciones terapéuticas o de suministro de ADN que antes se veían obstaculizadas por las paredes celulares bacterianas difíciles de penetrar.
El equipo de EPFL ahora está estudiando formas de reprogramar sus células bacterianas para producir electricidad mediante la modificación de su ADN. “Los organismos captadores de luz no son naturalmente muy eficientes en la producción de electricidad”, explica Boghossian. “Esto se debe a que han sido diseñados por la naturaleza para la supervivencia, no por la energía fotovoltaica. Con la reciente expansión de la biología sintética, ahora estamos en condiciones de reutilizar estas células para que estén genéticamente inclinadas a producir electricidad”.
