Bacteriën die enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT's) opnemen, blijven zich normaal delen en geven de resulterende extra mogelijkheden zelfs door aan hun nakomelingen. Dit resultaat, dat onlangs werd aangetoond door onderzoekers van de EPFL in Zwitserland, vormt de basis van een nieuw veld dat ze "erfelijke nanobionics" noemen. De onderzoekers geloven dat de gemodificeerde bacteriën kunnen worden gebruikt om levende fotovoltaïsche cellen te maken - energieproducerende apparaten die volgens hen "een echte oplossing kunnen bieden voor onze aanhoudende energiecrisis en inspanningen tegen klimaatverandering".
SWCNT's zijn opgerolde vellen koolstof van slechts één atoom dik, met een totale diameter van ongeveer 1 nm. Ze beschikken over uitstekende elektrische, optische en mechanische eigenschappen waardoor ze ideaal zijn voor vele toepassingen op het gebied van nanobiotechnologie. Onderzoekers hebben deze nanostructuren bijvoorbeeld in zoogdiercellen geplaatst om het metabolisme te volgen met behulp van nabij-infrarood licht dat wordt uitgezonden door de nanobuisjes. Het uitgestraalde licht kan ook worden gebruikt om biologisch weefsel diep in het lichaam in beeld te brengen en om therapeutische medicijnen in cellen te helpen afleveren. In plantencellen zijn SWCNT's zelfs gebruikt om genomen te bewerken.
SWCNT-opname is passief, lengteafhankelijk en selectief
In het nieuwe werk, onderzoekers onder leiding van Ardemis Boghossian begon met het omwikkelen van SWCNT's met een positief geladen eiwitcoating. De nanostructuren waren vervolgens in staat om te interageren met de negatief geladen buitenmembranen rond de bacteriecellen die ze bestudeerden, die afkomstig zijn van het geslacht Synechocystis en Nostos. De eerste is eencellig en bolvormig, terwijl de laatste meercellig is en een slangachtige vorm heeft. Beide zijn Gram-negatieve bacteriën (zo genoemd omdat ze een dunne celwand hebben en een extra buitenmembraan, wat betekent dat ze de kleurstof niet vasthouden die wordt gebruikt in een algemene test die bekend staat als Gram-kleuring), en ze behoren tot de Cyanobacteriën stam. Deze groep bacteriën halen hun energie uit fotosynthese, net als planten.
Boghossian en collega's vonden dat beide Synechocystis en Nostos nam de SWCNT's op via een passief, lengte-afhankelijk en selectief proces waardoor de nanodeeltjes spontaan de celwanden van de micro-organismen kunnen binnendringen. Ze ontdekten ook dat de nanobuisjes heel duidelijk in het infrarood konden worden afgebeeld omdat ze fluoresceren in dit gebied van het elektromagnetische spectrum. Door deze lichtemissie konden de onderzoekers inderdaad zien dat de SWCNT's werden doorgegeven aan de zogenaamde dochtercellen van de bacteriën wanneer ze zich delen. De dochtercellen erven zo de uitzonderlijke eigenschappen van de nanobuisjes.
Als een kunstledemaat
"We noemen dit 'erfelijke nanobionics'", legt Boghossian uit. “Het is alsof je een kunstledemaat hebt die je mogelijkheden geeft die verder gaan dan wat je van nature kunt bereiken. En stel je nu voor dat je kinderen de eigenschappen ervan van jou kunnen erven als ze geboren worden. Niet alleen hebben we de bacteriën dit kunstmatige gedrag meegegeven, dit gedrag wordt ook geërfd door hun nakomelingen.”
En dat was nog niet alles: de onderzoekers ontdekten ook dat bacteriën die nanobuisjes bevatten een aanzienlijk grotere hoeveelheid elektriciteit produceren wanneer ze met licht worden verlicht dan bacteriën zonder nanobuisjes. "Zulke 'levende fotovoltaïsche cellen' profiteren van een negatieve koolstofvoetafdruk - ze nemen koolstofdioxide actief op in plaats van af te geven", vertelt Boghossian. Natuurkunde wereld. "Dit in tegenstelling tot conventionele fotovoltaïsche cellen, die profiteren van onze meest overvloedige energiebron - de zon - tijdens de productiefase veel koolstofdioxide genereren." Dit is het 'vuile geheim' van fotovoltaïsche zonne-energie, zegt ze.
Levende fotovoltaïsche cellen hebben ook andere belangrijke voordelen: ze hebben geautomatiseerde mechanismen voor het optimaliseren van de lichtabsorptie; kan zichzelf repareren; en belangrijker nog, kan reproduceren, voegt ze eraan toe. “Je hoeft je geen zorgen te maken over het bouwen van een fabriek om elke afzonderlijke cel te produceren. Deze cellen gebruiken de koolstofdioxide die ze opnemen om automatisch te herstellen en meer van zichzelf te maken. Ze vertrouwen op aarde-overvloedige materialen, en ze zijn goedkoop. Dit is een droom over materiaalkunde.”
Toepassingsgebieden
Het werk, dat is beschreven in Natuur Nanotechnologie, benadrukt toepassingen die zich richten op zowel lichtoogst als fluorescentiebeeldvorming. "De beeldvorming stelt ons bijvoorbeeld niet alleen in staat om de cellen van generatie op generatie te volgen, we kunnen deze technologie ook gebruiken om onderscheid te maken tussen levende en niet-levende cellen en verschillende celtypen." zegt Boghossian.
Grafeen 'drums' pikken trillingen op van individuele bacteriën
Dankzij het licht dat door de nanobuisjes wordt uitgestraald, konden de onderzoekers zelfs de vorming van verschillende delen van de bacteriële membranen na celdeling volgen en fysisch-chemische veranderingen in de cellen volgen. "Het bijzondere aan deze toepassing is dat het uitgezonden licht verschilt van het licht dat van nature door de cellen wordt uitgezonden, dus we hoeven ons geen zorgen te maken over storende signalen die andere dergelijke technologieën beperken", zegt Boghossian.
Op deze manier CNT's in bacteriën kunnen introduceren, zou ook kunnen leiden tot nieuwe toepassingen in therapieën of DNA-afgifte die voorheen werden gehinderd door de moeilijk te doordringen bacteriële celwanden.
Het EPFL-team onderzoekt nu manieren om hun bacteriecellen te herprogrammeren om elektriciteit te produceren door hun DNA aan te passen. "Licht-oogstende organismen zijn van nature niet erg efficiënt in het produceren van elektriciteit", legt Boghossian uit. "Dit komt omdat ze door de natuur zijn ontworpen om te overleven, niet door fotovoltaïsche cellen. Met de recente uitbreiding van synthetische biologie zijn we nu in staat om deze cellen een nieuwe bestemming te geven, zodat ze genetisch geneigd zijn om elektriciteit te produceren.”
