Az egyfalú szén nanocsöveket (SWCNT) felvevő baktériumok a szokásos módon osztódnak tovább, és az ebből adódó extra képességeket továbbadják leszármazottaiknak. Ez az eredmény, amelyet nemrégiben mutattak be a svájci EPFL kutatói, egy új terület alapját képezi, amelyet „öröklött nanobionikának” neveznek. A kutatók úgy vélik, hogy a módosított baktériumokból élő fotovoltaikus elemeket lehetne előállítani – olyan energiatermelő eszközöket, amelyek szerintük „igazi megoldást jelenthetnek a folyamatban lévő energiaválságunkra és a klímaváltozás elleni erőfeszítéseinkre”.
Az SWCNT-k mindössze egy atom vastagságú, feltekert szénlapok, amelyek teljes átmérője körülbelül 1 nm. Kiváló elektromos, optikai és mechanikai tulajdonságokkal büszkélkedhetnek, amelyek ideálissá teszik őket a nanobiotechnológia számos alkalmazásához. A kutatók például ezeket a nanostruktúrákat emlőssejtekben helyezték el, hogy a nanocsövek által kibocsátott közeli infravörös fény segítségével nyomon kövessék az anyagcserét. A kibocsátott fény felhasználható biológiai szövetek leképezésére is a test mélyén, és elősegítheti a terápiás gyógyszerek sejtekbe juttatását. Növényi sejtekben az SWCNT-ket még genomok szerkesztésére is használták.
Az SWCNT felvétel passzív, hosszfüggő és szelektív
Az új munkában a kutatók vezetésével Ardemis Boghossian az SWCNT-k pozitív töltésű fehérjebevonattal történő becsomagolásával kezdődött. A nanostruktúrák ezután képesek voltak kölcsönhatásba lépni az általuk vizsgált baktériumsejteket körülvevő negatív töltésű külső membránokkal, amelyek a nemzetségből származnak. Synechocystis és a Nosztosz. Az előbbi egysejtű és gömb alakú, míg az utóbbi többsejtű és kígyószerű alakja van. Mindkettő Gram-negatív baktérium (úgy hívják, mert vékony sejtfaluk, valamint egy további külső membránjuk van, ami azt jelenti, hogy nem tartják meg a Gram-festésnek nevezett általános tesztben használt festéket), és a A cianobaktériumok törzs. Ez a baktériumcsoport a növényekhez hasonlóan fotoszintézis útján nyeri el energiáját.
Boghossian és munkatársai úgy találták, hogy mindkettő Synechocystis és a Nosztosz passzív, hosszúságfüggő és szelektív folyamaton keresztül vette fel az SWCNT-ket, amely lehetővé teszi a nanorészecskék spontán bejutását a mikroorganizmusok sejtfalába. Azt is felfedezték, hogy a nanocsövek nagyon tisztán leképezhetők az infravörösben, mivel az elektromágneses spektrumnak ebben a tartományában fluoreszkálnak. Valójában ez a fénykibocsátás lehetővé tette a kutatók számára, hogy lássák, hogy az SWCNT-k osztódáskor a baktériumok úgynevezett leánysejtjeibe kerülnek. A leánysejtek így öröklik a nanocsövek kivételes tulajdonságait.
Mint egy művégtag
„Ezt „öröklött nanobionikának” hívjuk” – magyarázza Boghossian. „Olyan ez, mint egy mesterséges végtagunk, amely a természetes úton elért képességeken túlmutató képességeket ad. És most képzeld el, hogy gyermekeid örökölhetik a tulajdonságait tőled, amikor megszületnek. Nemcsak mi adtuk át a baktériumokat ezzel a mesterséges viselkedéssel, de ezt a viselkedést az utódaik is öröklik.”
És ez még nem minden: a kutatók azt is megállapították, hogy a nanocsövet tartalmazó baktériumok fénnyel megvilágítva lényegesen nagyobb mennyiségű elektromosságot termelnek, mint a nanocsövek nélküli baktériumok. „Az ilyen „élő fotovoltaik” negatív szénlábnyomból profitálnak – aktívan felveszik, nem pedig kibocsátják a szén-dioxidot” – mondja Boghossian. Fizika Világa. „Ez ellentétben áll a hagyományos fotovoltaikával, amely a legbőségesebb energiaforrásunk – a Nap – előnyeit kihasználva sok szén-dioxidot termel a gyártási szakaszban.” Ez a fotovoltaik „piszkos titka”, mondja.
Az élő fotovoltaiknak más fontos előnyei is vannak: automatizált mechanizmusokkal rendelkeznek a fényelnyelés optimalizálására; önállóan javítható; és ami még fontosabb, képes szaporodni – teszi hozzá. „Nem kell attól tartania, hogy minden egyes cellát legyártat egy gyárat. Ezek a sejtek az általuk felvett szén-dioxidot automatikusan helyreállítják, és többet termelnek magukból. Földben bővelkedő anyagokra támaszkodnak, és olcsók. Ez egy anyagtudományi álom.”
Alkalmazási területek
A munka, amelyet részletesen a Természet Nanotechnológia, kiemeli azokat az alkalmazásokat, amelyek a fénygyűjtésre, valamint a fluoreszcens képalkotásra összpontosítanak. "A képalkotás például nemcsak a sejtek generációkon átívelő nyomon követését teszi lehetővé, hanem az élő és élettelen sejtek, valamint a különböző sejttípusok megkülönböztetésére is használhatjuk ezt a technológiát." Boghossian azt mondja.
A grafén „dobok” felveszik az egyes baktériumok rezgéseit
A kutatók a nanocsövek által kibocsátott fénynek köszönhetően akár a bakteriális membránok különböző részeinek sejtosztódás utáni képződését is nyomon követhették, és figyelemmel kísérhetik a sejteken belüli fizikai-kémiai változásokat. "Az alkalmazás különlegessége az, hogy a kibocsátott fény különbözik a sejtek által természetesen kibocsátott fénytől, így nem kell aggódnunk a zavaró jelek miatt, amelyek korlátozzák az ilyen technológiákat" - mondja Boghossian.
A CNT-k ilyen módon történő bejuttatása a baktériumokba új alkalmazásokhoz vezethet a terápiában vagy a DNS-szállításban, amelyeket korábban a nehezen áthatolható baktériumsejtfalak akadályoztak.
Az EPFL csapata jelenleg azt vizsgálja, hogyan lehet újraprogramozni baktériumsejtjeit, hogy DNS-ük módosításával elektromos áramot termeljenek. „A fénygyűjtő szervezetek természetesen nem túl hatékonyak az elektromos áram előállításában” – magyarázza Boghossian. „Ez azért van, mert a Természet a túlélésre tervezte őket, nem a fotovoltaikára. A szintetikus biológia közelmúltbeli terjeszkedésével most olyan helyzetben vagyunk, hogy ezeket a sejteket újra felhasználjuk úgy, hogy genetikailag hajlamosak legyenek elektromos áram termelésére.”
