Bakteri yang menggunakan tabung nano karbon berdinding tunggal (SWCNT) terus membelah seperti biasa dan bahkan mewariskan kemampuan ekstra yang dihasilkan kepada keturunannya. Hasil ini, yang baru-baru ini didemonstrasikan oleh para peneliti di EPFL di Swiss, membentuk dasar bidang baru yang mereka sebut "nanobionik warisan". Para peneliti percaya bakteri yang dimodifikasi dapat digunakan untuk membuat fotovoltaik hidup – perangkat penghasil energi yang menurut mereka dapat memberikan “solusi nyata untuk krisis energi yang sedang berlangsung dan upaya melawan perubahan iklim”.
SWCNT adalah lembaran karbon yang digulung setebal satu atom, dengan diameter total sekitar 1 nm. Mereka membanggakan sifat listrik, optik dan mekanik yang sangat baik yang membuatnya ideal untuk banyak aplikasi di bidang nanobioteknologi. Para peneliti, misalnya, menempatkan struktur nano ini dalam sel mamalia untuk memantau metabolisme menggunakan cahaya inframerah dekat yang dipancarkan oleh tabung nano. Cahaya yang dipancarkan juga dapat digunakan untuk mencitrakan jaringan biologis jauh di dalam tubuh dan membantu mengantarkan obat terapeutik ke dalam sel. Dalam sel tumbuhan, SWCNT bahkan telah digunakan untuk mengedit genom.
Pengambilan SWCNT bersifat pasif, bergantung pada panjang dan selektif
Dalam karya baru, peneliti dipimpin oleh Ardemis Boghossian dimulai dengan membungkus SWCNT dengan lapisan protein bermuatan positif. Struktur nano kemudian dapat berinteraksi dengan membran luar bermuatan negatif yang mengelilingi sel bakteri yang mereka pelajari, yang berasal dari genus Sinekokistik dan Nosto. Yang pertama adalah uniseluler dan bulat sedangkan yang kedua multiseluler dan memiliki bentuk seperti ular. Keduanya adalah bakteri Gram-negatif (disebut demikian karena mereka memiliki dinding sel yang tipis serta membran luar tambahan, artinya mereka tidak mempertahankan pewarna yang digunakan dalam tes umum yang dikenal sebagai pewarnaan Gram), dan termasuk dalam cyanobacteria divisi. Kelompok bakteri ini mendapatkan energinya melalui fotosintesis, seperti tumbuhan.
Boghossian dan rekannya menemukan keduanya Sinekokistik dan Nosto mengambil SWCNTs melalui proses pasif, tergantung panjang dan selektif yang memungkinkan nanopartikel secara spontan memasuki dinding sel mikroorganisme. Mereka juga menemukan bahwa nanotube dapat dicitrakan dengan sangat jelas dalam inframerah karena mereka berpendar di wilayah spektrum elektromagnetik ini. Memang, pancaran cahaya ini memungkinkan para peneliti untuk melihat bahwa SWCNT diteruskan ke apa yang disebut sel anak bakteri ketika mereka membelah. Sel anak sehingga mewarisi sifat luar biasa dari nanotube.
Seperti anggota badan buatan
“Kami menyebutnya 'nanobionik warisan',” jelas Boghossian. “Ini seperti memiliki anggota tubuh buatan yang memberi Anda kemampuan melebihi apa yang dapat Anda capai secara alami. Dan sekarang bayangkan anak-anak Anda dapat mewarisi sifat-sifatnya dari Anda ketika mereka lahir. Kami tidak hanya memberi bakteri perilaku buatan ini, tetapi perilaku ini juga diwarisi oleh keturunan mereka.”
Dan itu belum semuanya: para peneliti juga menemukan bahwa bakteri yang mengandung tabung nano menghasilkan jumlah listrik yang jauh lebih besar ketika diterangi dengan cahaya daripada bakteri tanpa tabung nano. “'Fotovoltaik hidup' semacam itu mendapat manfaat dari jejak karbon yang negatif – mereka secara aktif mengambil, bukannya melepaskan, karbon dioksida,” kata Boghossian Dunia Fisika. “Ini berbeda dengan fotovoltaik konvensional, yang memanfaatkan sumber energi kita yang paling melimpah – Matahari – menghasilkan banyak karbon dioksida selama tahap pembuatan.” Ini adalah "rahasia kotor" fotovoltaik, katanya.
Fotovoltaik hidup juga memiliki keunggulan penting lainnya: mereka memiliki mekanisme otomatis untuk mengoptimalkan penyerapan cahaya; dapat memperbaiki sendiri; dan yang terpenting, dapat bereproduksi, tambahnya. “Anda tidak perlu khawatir membangun pabrik untuk memproduksi setiap sel individu. Sel-sel ini menggunakan karbon dioksida yang mereka ambil untuk secara otomatis memperbaiki dan menghasilkan lebih banyak dari diri mereka sendiri. Mereka mengandalkan bahan yang melimpah di bumi, dan harganya murah. Ini adalah impian ilmu material.”
Area aplikasi
Pekerjaan, yang dirinci dalam Nanoteknologi Alam, menyoroti aplikasi yang fokus pada pemanenan cahaya serta pencitraan fluoresensi. “Pencitraan, misalnya, tidak hanya memungkinkan kami melacak sel dari generasi ke generasi, kami juga dapat menggunakan teknologi ini untuk membedakan antara sel hidup dan tidak hidup, serta jenis sel yang berbeda.” kata Boghossian.
Grafena 'drum' mengambil getaran dari bakteri individu
Para peneliti bahkan dapat melacak pembentukan berbagai bagian membran bakteri setelah pembelahan sel berkat cahaya yang dipancarkan oleh nanotube dan memantau perubahan fisikokimia di dalam sel. “Apa yang istimewa dari aplikasi ini adalah bahwa cahaya yang dipancarkan berbeda dari cahaya yang dipancarkan secara alami oleh sel, jadi kita tidak perlu khawatir tentang gangguan sinyal yang membatasi teknologi lain semacam itu,” kata Boghossian.
Mampu memasukkan CNT ke dalam bakteri dengan cara ini juga dapat mengarah pada aplikasi baru dalam terapi atau pengiriman DNA yang sebelumnya terhalang oleh dinding sel bakteri yang sulit ditembus.
Tim EPFL sekarang mempelajari cara memprogram ulang sel bakteri mereka untuk menghasilkan listrik dengan memodifikasi DNA mereka. “Organisme pemanen cahaya secara alami tidak terlalu efisien dalam menghasilkan listrik,” jelas Boghossian. “Ini karena mereka telah direkayasa oleh Alam untuk bertahan hidup, bukan fotovoltaik. Dengan perluasan biologi sintetik baru-baru ini, kami sekarang berada dalam posisi untuk menggunakan kembali sel-sel ini sehingga secara genetik cenderung menghasilkan listrik.
