Yksiseinäisiä hiilinanoputkia (SWCNT) ottavat bakteerit jakautuvat edelleen normaalisti ja jopa välittävät niistä johtuvat lisäominaisuudet jälkeläisilleen. Tämä tulos, jonka sveitsiläisen EPFL:n tutkijat osoittivat äskettäin, muodostaa perustan uudelle alalle, jota he kutsuvat "perintyneeksi nanobioniikaksi". Tutkijat uskovat, että muunnetuista bakteereista voidaan valmistaa eläviä aurinkosähköjä – energiaa tuottavia laitteita, jotka heidän mukaansa voisivat tarjota "todellisen ratkaisun meneillään olevaan energiakriisiimme ja ilmastonmuutoksen torjuntaan".
SWCNT:t ovat vain yhden atomin paksuisia rullattuja hiililevyjä, joiden kokonaishalkaisija on noin 1 nm. Niissä on erinomaiset sähköiset, optiset ja mekaaniset ominaisuudet, jotka tekevät niistä ihanteellisia moniin nanobioteknologian sovelluksiin. Tutkijat ovat esimerkiksi sijoittaneet näitä nanorakenteita nisäkässoluihin seuraamaan aineenvaihduntaa käyttämällä nanoputkien lähettämää lähi-infrapunavaloa. Säteilevää valoa voidaan käyttää myös biologisen kudoksen kuvaamiseen syvällä kehon sisällä ja auttaa kuljettamaan terapeuttisia lääkkeitä soluihin. Kasvisoluissa SWCNT:itä on käytetty jopa genomien muokkaamiseen.
SWCNT:n otto on passiivinen, pituudesta riippuvainen ja valikoiva
Uudessa työssä tutkijat johtivat Ardemis Boghossian aloitettiin käärimällä SWCNT:t positiivisesti varautuneeseen proteiinipäällysteeseen. Nanorakenteet pystyivät sitten olemaan vuorovaikutuksessa negatiivisesti varautuneiden ulkokalvojen kanssa, jotka ympäröivät tutkimiaan bakteerisoluja, jotka ovat peräisin suvusta. Synechocystis ja Nostos. Ensimmäinen on yksisoluinen ja pallomainen, kun taas jälkimmäinen on monisoluinen ja sillä on käärmemäinen muoto. Molemmat ovat Gram-negatiivisia bakteereja (niin sanotaan, koska niillä on ohut soluseinä sekä ylimääräinen ulkokalvo, mikä tarkoittaa, että ne eivät säilytä yleisessä Gram-värjäystestissä käytettyä väriainetta) ja ne kuuluvat syanobakteerit syrjä. Tämä bakteeriryhmä saa energiansa fotosynteesin kautta, kuten kasvit.
Boghossian ja kollegat havaitsivat, että molemmat Synechocystis ja Nostos otti SWCNT:t passiivisen, pituudesta riippuvan ja selektiivisen prosessin kautta, jonka avulla nanopartikkelit pääsevät spontaanisti mikro-organismien soluseiniin. He havaitsivat myös, että nanoputket voidaan kuvata erittäin selvästi infrapunassa, koska ne fluoresoivat tällä sähkömagneettisen spektrin alueella. Itse asiassa tämä valosäteily antoi tutkijoille mahdollisuuden nähdä, että SWCNT:t siirtyivät bakteerien niin kutsuttuihin tytärsoluihin niiden jakautuessa. Siten tytärsolut perivät nanoputkien poikkeukselliset ominaisuudet.
Kuin keinotekoinen raaja
"Kutsumme tätä" perinnöllisiksi nanobioniikaksi", Boghossian selittää. "Se on kuin keinotekoinen raaja, joka antaa sinulle ominaisuuksia, jotka ylittävät sen, mitä voit saavuttaa luonnollisesti. Ja nyt kuvittele, että lapsesi voivat periä sen ominaisuudet sinulta syntyessään. Emme vain antaneet bakteereille tällä keinotekoisella käytöksellä, vaan myös niiden jälkeläiset perivät tämän käyttäytymisen."
Eikä siinä vielä kaikki: tutkijat havaitsivat myös, että nanoputkia sisältävät bakteerit tuottavat huomattavasti enemmän sähköä valolla valaistuna kuin bakteerit ilman nanoputkia. "Tällaiset "elävät aurinkosähköt" hyötyvät negatiivisesta hiilijalanjäljestä - ne sitovat aktiivisesti hiilidioksidia sen sijaan, että vapauttavat sitä", Boghossian kertoo. Fysiikan maailma. "Tämä on päinvastoin kuin perinteiset aurinkosähköt, jotka hyödyntävät runsainta energialähdettämme - aurinkoa - tuottavat paljon hiilidioksidia valmistusvaiheessa." Tämä on aurinkosähkön "likainen salaisuus", hän sanoo.
Elävillä aurinkosähköillä on myös muita tärkeitä etuja: niissä on automaattiset mekanismit valon absorption optimoimiseksi; voi itse korjata; ja mikä tärkeintä, voi lisääntyä, hän lisää. "Sinun ei tarvitse huolehtia tehtaan rakentamisesta jokaisen yksittäisen kennon valmistukseen. Nämä kennot käyttävät ottamaansa hiilidioksidia korjaamaan automaattisesti ja tuottamaan enemmän itseään. Ne luottavat maan runsaisiin materiaaleihin ja ovat halpoja. Tämä on materiaalitieteen unelma."
Sovellusalueet
Työ, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti Luonnon nanoteknologia, korostaa sovelluksia, jotka keskittyvät valon keräämiseen sekä fluoresenssikuvaukseen. "Esimerkiksi kuvantamisen avulla voimme paitsi seurata soluja sukupolvien välillä, voimme myös käyttää tätä tekniikkaa erottaaksemme eläviä ja ei-eläviä soluja sekä eri solutyyppejä." Boghossian sanoo.
Grafeeni "rummut" poimivat tärinää yksittäisistä bakteereista
Tutkijat pystyivät jopa seuraamaan bakteerikalvojen eri osien muodostumista solujen jakautumisen jälkeen nanoputkien lähettämän valon ansiosta ja seuraamaan solujen sisällä tapahtuvia fysikaalis-kemiallisia muutoksia. "Tämän sovelluksen erikoista on se, että säteilevä valo eroaa solujen luonnostaan lähettämästä valosta, joten meidän ei tarvitse huolehtia häiritsevistä signaaleista, jotka rajoittavat muita vastaavia teknologioita", Boghossian sanoo.
Mahdollisuus viedä CNT:itä bakteereihin tällä tavalla voi myös johtaa uusiin sovelluksiin terapiassa tai DNA:n toimittamisessa, joita aiemmin estivät vaikeasti tunkeutuvat bakteerisolun seinämät.
EPFL-tiimi tutkii nyt tapoja ohjelmoida bakteerisolunsa uudelleen tuottamaan sähköä modifioimalla niiden DNA:ta. "Valoa keräävät organismit eivät luonnollisesti ole kovin tehokkaita tuottamaan sähköä", Boghossian selittää. "Tämä johtuu siitä, että luonto on suunnitellut ne selviytymään, ei aurinkosähköihin. Synteettisen biologian äskettäisen laajentumisen myötä pystymme nyt käyttämään näitä soluja uudelleen niin, että ne ovat geneettisesti taipuvaisia tuottamaan sähköä.
