חיידקים התופסים ננו-צינוריות פחמן חד-דופן (SWCNT) ממשיכים להתחלק כרגיל ואף מעבירים את היכולות הנוספות הנובעות מכך לצאצאיהם. תוצאה זו, שהודגמה לאחרונה על ידי חוקרים ב-EPFL בשוויץ, מהווה בסיס לתחום חדש שהם מכנים "ננוביוניקה מורשת". החוקרים מאמינים שניתן להשתמש בחיידקים שהשתנו לייצור פוטו-וולטאים חיים - מכשירים לייצור אנרגיה שלדבריהם יכולים לספק "פתרון אמיתי למשבר האנרגיה המתמשך שלנו ולמאמצים נגד שינויי אקלים".
SWCNTs הם יריעות מגולגלות של פחמן בעובי של אטום אחד בלבד, בקוטר כולל של כ-1 ננומטר. הם מתהדרים בתכונות חשמליות, אופטיות ומכאניות מצוינות שהופכות אותם לאידיאליים עבור יישומים רבים בתחום הננו-ביוטכנולוגיה. חוקרים, למשל, הציבו את הננו-מבנים הללו בתאי יונקים כדי לנטר את חילוף החומרים באמצעות אור קרוב לאינפרא אדום הנפלט על ידי הננו-צינורות. האור הנפלט יכול לשמש גם לדימוי רקמה ביולוגית עמוק בתוך הגוף ולעזור להעביר תרופות טיפוליות לתאים. בתאי צמחים, SWCNTs אפילו שימשו לעריכת גנומים.
אימוץ SWCNT הוא פסיבי, תלוי אורך וסלקטיבי
בעבודה החדשה, חוקרים בראשות ארדמיס בוגוסיאן התחיל בעיטוף של SWCNTs בציפוי חלבון טעון חיובי. הננו-מבנים היו מסוגלים אז לקיים אינטראקציה עם הממברנות החיצוניות הטעונות שלילי המקיפות את תאי החיידק שהם חקרו, המגיעים מהסוג Synechocystis ו נוסטוס. הראשון הוא חד תאי וכדורי ואילו השני הוא רב תאי ובעל צורה דמוית נחש. שניהם חיידקים גראם שליליים (מה שנקרא בגלל שיש להם דופן תא דק כמו גם קרום חיצוני נוסף, כלומר הם לא שומרים על הצבע המשמש בבדיקה נפוצה המכונה כתם גראם), והם שייכים ל- ציאנו-בקטריה מַעֲרָכָה. קבוצה זו של חיידקים משיגה את האנרגיה שלהם באמצעות פוטוסינתזה, כמו צמחים.
בוגוסיאן ועמיתיו גילו ששניהם Synechocystis ו נוסטוס לקח את ה-SWCNTs בתהליך פסיבי, תלוי אורך וסלקטיבי המאפשר לננו-חלקיקים להיכנס באופן ספונטני לדפנות התא של המיקרואורגניזמים. הם גם גילו שניתן לצלם את הננו-צינורות בצורה ברורה מאוד באינפרא אדום מכיוון שהם מקרינים באזור זה של הספקטרום האלקטרומגנטי. ואכן, פליטת האור הזו אפשרה לחוקרים לראות שה-SWCNTs מועברים למה שנקרא תאי הבת של החיידקים כשהם מתחלקים. תאי הבת יורשים אפוא את התכונות יוצאות הדופן של הננו-צינוריות.
כמו איבר מלאכותי
"אנחנו קוראים לזה 'ננוביוניקה בירושה'", מסביר בוגוסיאן. "זה כמו שיש לך איבר מלאכותי שנותן לך יכולות מעבר למה שאתה יכול להשיג באופן טבעי. ועכשיו דמיינו שהילדים שלכם יכולים לרשת את תכונותיו מכם כשיוולדו. לא רק שהענקנו לחיידקים את ההתנהגות המלאכותית הזו, אלא שגם ההתנהגות הזו עוברת בתורשה לצאצאיהם".
וזה עוד לא הכל: החוקרים מצאו גם שחיידקים המכילים ננו-צינורות מייצרים כמות גדולה יותר של חשמל כאשר הם מוארים באור מאשר חיידקים ללא ננו-צינורות. "פוטו-וולטאים חיים כאלה נהנים מטביעת רגל פחמנית שלילית - הם סופגים באופן פעיל, במקום משחררים, פחמן דו חמצני", אומר בוגוסיאן עולם הפיזיקה. "זה בניגוד לפוטו-וולטאים קונבנציונליים, שבעוד שהם מנצלים את מקור האנרגיה השופע ביותר שלנו - השמש - מייצרים הרבה פחמן דו חמצני בשלב הייצור." זהו "הסוד המלוכלך" של הפוטו-וולטאים, היא אומרת.
לפוטו-וולטאים חיים יש גם יתרונות חשובים נוספים: יש להם מנגנונים אוטומטיים למיטוב קליטת האור; יכול לתקן עצמי; וחשוב מכך, יכולה להתרבות, היא מוסיפה. "אתה לא צריך לדאוג לגבי בניית מפעל לייצור כל תא בודד. תאים אלה משתמשים בפחמן הדו חמצני שהם קולטים כדי לתקן אוטומטית ולהפיק יותר מעצמם. הם מסתמכים על חומרים עשירים באדמה, והם זולים. זה חלום מדעי החומרים".
תחומי יישום
העבודה, המפורטת ב טבע ננוטכנולוגיה, מדגיש יישומים המתמקדים בקצירת אור כמו גם הדמיית פלואורסצנציה. "ההדמיה, למשל, לא רק מאפשרת לנו לעקוב אחר התאים על פני דורות, אנחנו גם מסוגלים להשתמש בטכנולוגיה הזו כדי להבדיל בין תאים חיים ותאים שאינם חיים, לבין סוגי תאים שונים." אומר בוגוסיאן.
'תופים' של גרפן קולטים רעידות מחיידקים בודדים
החוקרים יכלו אפילו לעקוב אחר היווצרותם של חלקים שונים של ממברנות החיידקים לאחר חלוקת התאים הודות לאור הנפלט מהננו-צינורות ולנטר שינויים פיזיקוכימיים בתוך התאים. "מה שמיוחד באפליקציה הזו הוא שהאור הנפלט נבדל מהאור שנפלט באופן טבעי על ידי התאים, כך שאנחנו לא צריכים לדאוג לגבי אותות מפריעים שהגבילו טכנולוגיות אחרות כאלה", אומר בוגוסיאן.
היכולת להחדיר CNTs לחיידקים בדרך זו עלולה להוביל גם ליישומים חדשים בתרופות או במסירת DNA שקודם לכן הפריעו לדפנות תאי החיידקים שקשה לחדור.
צוות EPFL בוחן כעת דרכים לתכנות מחדש את תאי החיידקים שלהם לייצר חשמל על ידי שינוי ה-DNA שלהם. "אורגניזמים קוטפי אור אינם יעילים במיוחד בייצור חשמל", מסביר בוגוסיאן. "זה בגלל שהם הנדסו על ידי הטבע להישרדות, לא פוטו-וולטאים. עם ההתרחבות האחרונה של הביולוגיה הסינתטית, אנו נמצאים כעת בעמדה לכוון מחדש את התאים הללו כך שהם נוטים גנטית לייצר חשמל."
