I batteri che inglobano i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) continuano a dividersi normalmente e trasmettono addirittura le capacità extra risultanti ai loro discendenti. Questo risultato, recentemente dimostrato dai ricercatori dell’EPFL in Svizzera, costituisce la base di un nuovo campo che chiamano “nanobionica ereditaria”. I ricercatori ritengono che i batteri modificati potrebbero essere utilizzati per creare impianti fotovoltaici viventi, dispositivi per la produzione di energia che, secondo loro, potrebbero fornire “una vera soluzione alla nostra crisi energetica in corso e agli sforzi contro il cambiamento climatico”.
Gli SWCNT sono fogli arrotolati di carbonio spessi solo un atomo, con un diametro totale di circa 1 nm. Vantano eccellenti proprietà elettriche, ottiche e meccaniche che li rendono ideali per numerose applicazioni nel campo delle nanobiotecnologie. I ricercatori, ad esempio, hanno posizionato queste nanostrutture nelle cellule dei mammiferi per monitorare il metabolismo utilizzando la luce nel vicino infrarosso emessa dai nanotubi. La luce emessa può essere utilizzata anche per acquisire immagini del tessuto biologico nelle profondità del corpo e contribuire a fornire farmaci terapeutici nelle cellule. Nelle cellule vegetali, gli SWCNT sono stati utilizzati anche per modificare i genomi.
L'assorbimento di SWCNT è passivo, dipendente dalla lunghezza e selettivo
Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Ardemis Boghossian ha iniziato avvolgendo gli SWCNT con un rivestimento proteico carico positivamente. Le nanostrutture sono state quindi in grado di interagire con le membrane esterne caricate negativamente che circondano le cellule batteriche studiate, che provengono dal genere sinecocisti ed Nosto. Il primo è unicellulare e sferico mentre il secondo è multicellulare e ha una forma simile a un serpente. Entrambi sono batteri Gram-negativi (così chiamati perché hanno una parete cellulare sottile e una membrana esterna aggiuntiva, il che significa che non trattengono il colorante utilizzato in un test comune noto come colorazione di Gram) e appartengono al gruppo I cianobatteri phylum. Questo gruppo di batteri ottiene la propria energia attraverso la fotosintesi, come le piante.
Boghossian e colleghi hanno scoperto che entrambi sinecocisti ed Nosto hanno assorbito gli SWCNT attraverso un processo passivo, dipendente dalla lunghezza e selettivo che consente alle nanoparticelle di entrare spontaneamente nelle pareti cellulari dei microrganismi. Hanno anche scoperto che i nanotubi potevano essere ripresi molto chiaramente nell'infrarosso perché emettono fluorescenza in questa regione dello spettro elettromagnetico. Infatti, questa emissione di luce ha permesso ai ricercatori di vedere che gli SWCNT venivano trasmessi alle cosiddette cellule figlie dei batteri quando si dividono. Le cellule figlie ereditano così le eccezionali proprietà dei nanotubi.
Come un arto artificiale
“Chiamiamo tutto ciò ‘nanobionica ereditaria’”, spiega Boghossian. “È come avere un arto artificiale che ti dà capacità che vanno oltre ciò che puoi ottenere naturalmente. E ora immagina che i tuoi figli possano ereditarne le proprietà quando nasceranno. Non solo abbiamo impartito ai batteri questo comportamento artificiale, ma questo comportamento è ereditato anche dai loro discendenti”.
E non è tutto: i ricercatori hanno anche scoperto che i batteri contenenti nanotubi producono una quantità di elettricità significativamente maggiore quando illuminati dalla luce rispetto ai batteri senza nanotubi. “Tali ‘fotovoltaici viventi’ beneficiano di un’impronta di carbonio negativa: assorbono attivamente, anziché rilasciare, anidride carbonica”, spiega Boghossian Mondo della fisica. “Ciò è in contrasto con il fotovoltaico convenzionale, che pur sfruttando la nostra fonte di energia più abbondante – il Sole – genera molta anidride carbonica durante la fase di produzione”. Questo è lo “sporco segreto” del fotovoltaico, dice.
Il fotovoltaico vivente presenta anche altri importanti vantaggi: dispone di meccanismi automatizzati per ottimizzare l'assorbimento della luce; può autoripararsi; e, cosa più importante, possono riprodursi, aggiunge. “Non devi preoccuparti di costruire una fabbrica per produrre ogni singola cellula. Queste cellule utilizzano l'anidride carbonica che assorbono per ripararsi automaticamente e produrre di più. Fanno affidamento su materiali abbondanti sulla terra e sono economici. Questo è un sogno per la scienza dei materiali”.
Campi di applicazione
L'opera, dettagliata in Natura Nanotecnologia, evidenzia le applicazioni incentrate sulla raccolta della luce e sull'imaging a fluorescenza. “L’imaging, ad esempio, non solo ci consente di tracciare le cellule attraverso le generazioni, ma siamo anche in grado di utilizzare questa tecnologia per distinguere tra cellule viventi e non viventi e diversi tipi di cellule”. Boghossian dice.
I "tamburi" di grafene captano le vibrazioni dei singoli batteri
Grazie alla luce emessa dai nanotubi i ricercatori sono riusciti addirittura a seguire la formazione di diverse parti delle membrane batteriche dopo la divisione cellulare e a monitorare i cambiamenti fisico-chimici all’interno delle cellule. "La particolarità di questa applicazione è che la luce emessa è distinta dalla luce emessa naturalmente dalle cellule, quindi non dobbiamo preoccuparci di segnali interferenti che hanno limitato altre tecnologie simili", afferma Boghossian.
Essere in grado di introdurre i CNT nei batteri in questo modo potrebbe anche portare a nuove applicazioni in ambito terapeutico o nel rilascio del DNA che in precedenza erano ostacolate dalle pareti cellulari batteriche difficili da penetrare.
Il team dell'EPFL sta ora studiando modi per riprogrammare le cellule batteriche per produrre elettricità modificando il loro DNA. “Gli organismi che raccolgono la luce non sono naturalmente molto efficienti nel produrre elettricità”, spiega Boghossian. "Questo perché sono stati progettati dalla Natura per la sopravvivenza, non dal fotovoltaico. Con la recente espansione della biologia sintetica, siamo ora in grado di riutilizzare queste cellule in modo che siano geneticamente predisposte a produrre elettricità”.
