Bakterier som tar opp enkeltveggede karbon-nanorør (SWCNT) fortsetter å dele seg som normalt og overfører til og med de resulterende ekstra egenskapene til sine etterkommere. Dette resultatet, som nylig ble demonstrert av forskere ved EPFL i Sveits, danner grunnlaget for et nytt felt de kaller "arvet nanobionics". Forskerne mener at de modifiserte bakteriene kan brukes til å lage levende solceller - energiproduserende enheter som de sier kan gi "en reell løsning på vår pågående energikrise og innsats mot klimaendringer".
SWCNT-er er sammenrullede ark av karbon bare ett atom tykt, med en total diameter på omtrent 1 nm. De har utmerkede elektriske, optiske og mekaniske egenskaper som gjør dem ideelle for mange bruksområder innen nanobioteknologi. Forskere har for eksempel plassert disse nanostrukturene i pattedyrceller for å overvåke metabolismen ved å bruke nær-infrarødt lys som sendes ut av nanorørene. Lyset som sendes ut kan også brukes til å avbilde biologisk vev dypt inne i kroppen og bidra til å levere terapeutiske legemidler inn i cellene. I planteceller har SWCNT-er til og med blitt brukt til å redigere genomer.
SWCNT-opptak er passivt, lengdeavhengig og selektivt
I det nye arbeidet har forskere ledet av Ardemis Boghossian begynte med å pakke inn SWCNT-er med et positivt ladet proteinbelegg. Nanostrukturene var da i stand til å samhandle med de negativt ladede ytre membranene rundt bakteriecellene de studerte, som kommer fra slekten Synechocystis og Oss. Førstnevnte er encellet og sfærisk mens sistnevnte er flercellet og har en slangelignende form. Begge er Gram-negative bakterier (såkalt fordi de har en tynn cellevegg samt en ekstra ytre membran, noe som betyr at de ikke beholder fargestoffet som brukes i en vanlig test kjent som en Gram-farge), og de tilhører cyanobakterier fylum. Denne gruppen av bakterier får energien sin gjennom fotosyntese, som planter.
Boghossian og kolleger fant ut at begge deler Synechocystis og Oss tok opp SWCNT-ene gjennom en passiv, lengdeavhengig og selektiv prosess som lar nanopartikler spontant komme inn i mikroorganismenes cellevegger. De oppdaget også at nanorørene kunne avbildes veldig tydelig i det infrarøde, fordi de fluorescerer i denne regionen av det elektromagnetiske spekteret. Faktisk tillot denne lysutslippet forskerne å se at SWCNT-ene ble sendt videre til de såkalte dattercellene til bakteriene når de deler seg. Dattercellene arver dermed de eksepsjonelle egenskapene til nanorørene.
Som et kunstig lem
"Vi kaller dette 'arvet nanobionics'," forklarer Boghossian. «Det er som å ha et kunstig lem som gir deg evner utover det du kan oppnå naturlig. Og se for deg at barna dine kan arve egenskapene fra deg når de blir født. Ikke bare ga vi bakteriene denne kunstige oppførselen, men denne oppførselen er også arvet av deres etterkommere.»
Og det var ikke alt: Forskerne fant også at bakterier som inneholder nanorør produserer en betydelig større mengde elektrisitet når de belyses med lys enn bakterier uten nanorør. "Slike 'levende solceller' drar nytte av et karbonfotavtrykk som er negativt - de tar aktivt opp, i stedet for å frigjøre, karbondioksid," forteller Boghossian Fysikkens verden. "Dette er i motsetning til konvensjonelle solceller, som samtidig som de drar nytte av vår mest rike energikilde - Solen, genererer mye karbondioksid under produksjonsstadiet." Dette er den "skitne hemmeligheten" til solceller, sier hun.
Levende solceller har også andre viktige fordeler: de har automatiserte mekanismer for å optimalisere lysabsorpsjon; kan selvreparere; og viktigere, kan reprodusere, legger hun til. «Du trenger ikke å bekymre deg for å bygge en fabrikk for å produsere hver enkelt celle. Disse cellene bruker karbondioksidet de tar opp til automatisk å reparere og lage mer ut av seg selv. De er avhengige av jordrike materialer, og de er billige. Dette er en materialvitenskapelig drøm.»
Bruksområder
Arbeidet, som er detaljert i Natur Nanoteknologi, fremhever applikasjoner som fokuserer på lys-høsting samt fluorescensavbildning. "Bildebehandlingen, for eksempel, lar oss ikke bare spore cellene på tvers av generasjoner, vi er også i stand til å bruke denne teknologien til å skille mellom levende og ikke-levende celler, og forskjellige celletyper." sier Boghossian.
Grafen "trommer" fanger opp vibrasjoner fra individuelle bakterier
Forskerne kunne til og med spore dannelsen av forskjellige deler av bakteriemembranene etter celledeling takket være lyset som sendes ut av nanorørene og overvåke fysisk-kjemiske endringer inne i cellene. "Det som er spesielt med denne applikasjonen er at det utsendte lyset er forskjellig fra lyset som naturlig sendes ut av cellene, så vi trenger ikke å bekymre oss for forstyrrende signaler som har begrenset andre slike teknologier," sier Boghossian.
Å kunne introdusere CNT-er i bakterier på denne måten kan også føre til nye anvendelser innen terapi eller DNA-levering som tidligere var hindret av de vanskelig gjennomtrengelige bakteriecelleveggene.
EPFL-teamet studerer nå måter å omprogrammere bakteriecellene deres til å produsere elektrisitet ved å modifisere deres DNA. "Lyshøstende organismer er naturlig nok ikke veldig effektive til å produsere elektrisitet," forklarer Boghossian. "Dette er fordi de er konstruert av naturen for å overleve, ikke solcelle. Med den nylige utvidelsen av syntetisk biologi, er vi nå i en posisjon til å gjenbruke disse cellene slik at de er genetisk tilbøyelige til å produsere elektrisitet."
