"نانوبیونیک های ارثی" برای اولین بار شروع به کار کرد

باکتری‌هایی که نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNT) را می‌گیرند، به طور معمول به تقسیم شدن ادامه می‌دهند و حتی قابلیت‌های اضافی حاصل را به فرزندان خود منتقل می‌کنند. این نتیجه، که اخیراً توسط محققان EPFL در سوئیس نشان داده شده است، اساس زمینه جدیدی را تشکیل می دهد که آن را "نانوبیونیک ارثی" می نامند. محققان بر این باورند که باکتری‌های اصلاح‌شده می‌توانند برای ساخت فتوولتائیک‌های زنده مورد استفاده قرار گیرند - دستگاه‌های تولید انرژی که به گفته آنها می‌تواند «راه‌حلی واقعی برای بحران انرژی مداوم و تلاش‌های ما علیه تغییرات آب و هوایی» ارائه کند.

SWCNT ها صفحاتی از کربن هستند که فقط یک اتم ضخامت دارند و قطر کلی آنها حدود 1 نانومتر است. آنها دارای خواص الکتریکی، نوری و مکانیکی عالی هستند که آنها را برای بسیاری از کاربردها در زمینه نانوبیوتکنولوژی ایده آل می کند. برای مثال، محققان این نانوساختارها را در سلول‌های پستانداران قرار داده‌اند تا متابولیسم را با استفاده از نور نزدیک به فروسرخ ساطع شده از نانولوله‌ها نظارت کنند. نور ساطع شده همچنین می تواند برای تصویربرداری از بافت بیولوژیکی در عمق بدن و کمک به رساندن داروهای درمانی به سلول ها استفاده شود. در سلول های گیاهی، SWCNT ها حتی برای ویرایش ژنوم ها استفاده شده اند.

جذب SWCNT غیرفعال، وابسته به طول و انتخابی است

در کار جدید، محققان به رهبری آردمیس بوقوسیان با بسته بندی SWCNT ها با یک پوشش پروتئینی با بار مثبت آغاز شد. سپس نانوساختارها توانستند با غشاهای خارجی با بار منفی اطراف سلول‌های باکتریایی که از این جنس می‌آیند، تعامل داشته باشند. سینکوسیستیس و نوستوس. اولی تک سلولی و کروی است در حالی که دومی چند سلولی است و شکلی شبیه به مار دارد. هر دو باکتری گرم منفی هستند (به این دلیل که دارای یک دیواره سلولی نازک و همچنین یک غشای خارجی اضافی هستند، به این معنی که رنگ مورد استفاده در یک آزمایش رایج به نام رنگ آمیزی گرم را حفظ نمی کنند) و متعلق به سیانوباکتری ها شاخه این گروه از باکتری ها مانند گیاهان انرژی خود را از طریق فتوسنتز به دست می آورند.

بوقوسیان و همکارانش دریافتند که هر دو سینکوسیستیس و نوستوس SWCNT ها را از طریق یک فرآیند غیرفعال، وابسته به طول و انتخابی جذب کردند که به نانوذرات اجازه می دهد به طور خود به خود وارد دیواره سلولی میکروارگانیسم ها شوند. آنها همچنین کشف کردند که نانولوله ها را می توان به وضوح در مادون قرمز تصویر کرد زیرا در این ناحیه از طیف الکترومغناطیسی فلورسانس می کنند. در واقع، این تابش نور به محققان این امکان را داد که ببینند SWCNT ها هنگام تقسیم به سلول های به اصطلاح دختر باکتری ها منتقل می شوند. بنابراین سلول های دختر خواص استثنایی نانولوله ها را به ارث می برند.

مثل یک اندام مصنوعی

بوقوسیان توضیح می دهد: «ما این را «نانوبیونیک ارثی» می نامیم. "مثل داشتن یک اندام مصنوعی است که به شما توانایی هایی فراتر از آنچه می توانید به طور طبیعی به دست آورید می دهد. و حالا تصور کنید که فرزندانتان هنگام تولد می توانند خواص آن را از شما به ارث ببرند. ما نه تنها باکتری ها را با این رفتار مصنوعی منتقل کردیم، بلکه این رفتار توسط فرزندان آنها نیز به ارث رسیده است.

و این همه ماجرا نبود: محققان همچنین دریافتند که باکتری‌های حاوی نانولوله در مقایسه با باکتری‌های بدون نانولوله، مقدار قابل توجهی الکتریسیته تولید می‌کنند که با نور روشن می‌شوند. بوقوسیان می‌گوید: «چنین فتوولتائیک‌های زنده از ردپای کربنی که منفی است سود می‌برند – آنها به‌جای انتشار، دی‌اکسید کربن را به طور فعال جذب می‌کنند». دنیای فیزیک. این برخلاف فتوولتائیک‌های معمولی است که با بهره‌گیری از فراوان‌ترین منبع انرژی ما - خورشید - دی اکسید کربن زیادی را در مرحله تولید تولید می‌کنند. او می گوید این راز کثیف فتوولتائیک است.

فتوولتائیک های زنده مزایای مهم دیگری نیز دارند: آنها مکانیسم های خودکاری برای بهینه سازی جذب نور دارند. می تواند خود ترمیم شود؛ و مهمتر از همه، او می افزاید، می تواند تولید مثل کند. "شما لازم نیست نگران ساخت کارخانه ای برای تولید هر سلول جداگانه باشید. این سلول ها از دی اکسید کربنی که جذب می کنند برای ترمیم خودکار و ساخت بیشتر خود استفاده می کنند. آنها به مواد فراوان در زمین متکی هستند و ارزان هستند. این یک رویای علم مواد است.»

زمینه های کاربرد

اثری که به تفصیل در نانوتکنولوژی طبیعت، برنامه هایی را برجسته می کند که بر برداشت نور و همچنین تصویربرداری فلورسانس تمرکز دارند. به عنوان مثال، تصویربرداری نه تنها به ما امکان می‌دهد سلول‌ها را در طول نسل‌ها ردیابی کنیم، بلکه می‌توانیم از این فناوری برای تمایز بین سلول‌های زنده و غیر زنده و انواع سلول‌های مختلف استفاده کنیم.» بوقوسیان می گوید.

محققان حتی می‌توانند به لطف نور ساطع شده از نانولوله‌ها، تشکیل بخش‌های مختلف غشای باکتری را پس از تقسیم سلولی ردیابی کنند و تغییرات فیزیکوشیمیایی داخل سلول‌ها را زیر نظر بگیرند. بوقوسیان می گوید: «ویژگی این برنامه این است که نور ساطع شده از نوری که به طور طبیعی توسط سلول ها ساطع می شود متمایز است، بنابراین لازم نیست نگران سیگنال های تداخلی باشیم که سایر فناوری ها را محدود کرده است.

امکان وارد کردن نانولوله‌های کربنی به باکتری‌ها از این طریق می‌تواند به کاربردهای جدیدی در درمان یا تحویل DNA منجر شود که قبلاً توسط دیواره‌های سلولی باکتریایی که به سختی نفوذ می‌کردند، مانع می‌شدند.

تیم EPFL اکنون در حال مطالعه راه‌هایی برای برنامه‌ریزی مجدد سلول‌های باکتریایی خود برای تولید الکتریسیته با اصلاح DNA هستند. بوقوسیان توضیح می دهد: «ارگانیسم های برداشت کننده نور به طور طبیعی در تولید الکتریسیته کارآمد نیستند. این به این دلیل است که آنها توسط طبیعت برای بقا مهندسی شده اند، نه فتوولتائیک. با گسترش اخیر زیست شناسی مصنوعی، ما اکنون در موقعیتی هستیم که این سلول ها را به گونه ای تغییر دهیم که از نظر ژنتیکی تمایل به تولید برق داشته باشند.