Bakterie, które pochłaniają jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT), dzielą się normalnie, a nawet przekazują wynikające z tego dodatkowe zdolności swoim potomkom. Wynik ten, który niedawno zademonstrowali naukowcy z EPFL w Szwajcarii, stanowi podstawę nowej dziedziny, którą nazywają „odziedziczoną nanobioniką”. Naukowcy uważają, że zmodyfikowane bakterie można wykorzystać do stworzenia żywych fotowoltaiki – urządzeń wytwarzających energię, które według nich mogą zapewnić „prawdziwe rozwiązanie naszego trwającego kryzysu energetycznego i wysiłków przeciwko zmianom klimatycznym”.
SWCNT to zwinięte arkusze węgla o grubości zaledwie jednego atomu, o całkowitej średnicy około 1 nm. Charakteryzują się doskonałymi właściwościami elektrycznymi, optycznymi i mechanicznymi, dzięki czemu idealnie nadają się do wielu zastosowań w dziedzinie nanobiotechnologii. Na przykład naukowcy umieścili te nanostruktury w komórkach ssaków, aby monitorować metabolizm za pomocą światła bliskiej podczerwieni emitowanego przez nanorurki. Emitowane światło można również wykorzystać do obrazowania tkanki biologicznej głęboko w ciele i pomóc w dostarczaniu leków terapeutycznych do komórek. W komórkach roślinnych SWCNT były nawet używane do edycji genomów.
Absorpcja SWCNT jest pasywna, zależna od długości i selektywna
W nowej pracy naukowcy pod kierunkiem Ardemis Boghossian rozpoczęto od owinięcia SWCNT dodatnio naładowaną powłoką białkową. Nanostruktury były następnie w stanie oddziaływać z ujemnie naładowanymi błonami zewnętrznymi otaczającymi badane przez nich komórki bakteryjne, które pochodzą z rodzaju Synechocysta i Nostos. Ten pierwszy jest jednokomórkowy i kulisty, podczas gdy drugi jest wielokomórkowy i ma kształt węża. Obie są bakteriami Gram-ujemnymi (tak zwane, ponieważ mają cienką ścianę komórkową oraz dodatkową błonę zewnętrzną, co oznacza, że nie zatrzymują barwnika używanego w powszechnym teście znanym jako barwienie metodą Grama) i należą do Cyjanobakteria gromada. Ta grupa bakterii, podobnie jak rośliny, czerpie energię z procesu fotosyntezy.
Boghossian i współpracownicy stwierdzili, że jedno i drugie Synechocysta i Nostos podjęli SWCNT w pasywnym, zależnym od długości i selektywnym procesie, który umożliwia nanocząsteczkom spontaniczne wnikanie w ściany komórkowe mikroorganizmów. Odkryli również, że nanorurki można bardzo wyraźnie obrazować w podczerwieni, ponieważ fluoryzują w tym obszarze widma elektromagnetycznego. Rzeczywiście, ta emisja światła pozwoliła naukowcom zobaczyć, że SWCNT były przekazywane do tak zwanych komórek potomnych bakterii podczas ich podziału. Komórki potomne dziedziczą w ten sposób wyjątkowe właściwości nanorurek.
Jak sztuczna kończyna
„Nazywamy to„ odziedziczoną nanobioniką ””, wyjaśnia Boghossian. „To tak, jakby mieć sztuczną kończynę, która daje możliwości wykraczające poza to, co można osiągnąć naturalnie. A teraz wyobraź sobie, że twoje dzieci mogą odziedziczyć po tobie jego właściwości, gdy się urodzą. Nie tylko nadaliśmy bakteriom to sztuczne zachowanie, ale zachowanie to jest również dziedziczone przez ich potomków”.
A to nie wszystko: naukowcy odkryli również, że bakterie zawierające nanorurki wytwarzają znacznie większą ilość energii elektrycznej po oświetleniu światłem niż bakterie bez nanorurek. „Takie „żywe fotowoltaiki” korzystają z negatywnego śladu węglowego – aktywnie pochłaniają, a nie uwalniają dwutlenek węgla”, mówi Boghossian Świat Fizyki. „Kontrastuje to z konwencjonalną fotowoltaiką, która wykorzystując nasze najobficiej występujące źródło energii – Słońce – generuje dużo dwutlenku węgla na etapie produkcji”. To jest „brudny sekret” fotowoltaiki, mówi.
Żywa fotowoltaika ma też inne ważne zalety: posiada zautomatyzowane mechanizmy optymalizujące pochłanianie światła; może samodzielnie naprawić; i co ważne, może się rozmnażać, dodaje. „Nie musisz się martwić o budowę fabryki do produkcji każdego pojedynczego ogniwa. Komórki te wykorzystują dwutlenek węgla, który pobierają, do automatycznej naprawy i robienia z siebie więcej. Opierają się na materiałach występujących w ziemi i są tanie. To marzenie inżynierii materiałowej”.
Obszary zastosowań
Praca, która jest szczegółowo opisana w Natura Nanotechnologia, podkreśla zastosowania, które koncentrują się na zbieraniu światła, a także obrazowaniu fluorescencyjnym. „Na przykład obrazowanie nie tylko pozwala nam śledzić komórki na przestrzeni pokoleń, ale jesteśmy również w stanie wykorzystać tę technologię do rozróżnienia żywych i nieożywionych komórek oraz różnych typów komórek”. mówi Boghossian.
Grafenowe „bębny” wychwytują wibracje poszczególnych bakterii
Dzięki światłu emitowanemu przez nanorurki naukowcy mogli nawet śledzić powstawanie różnych części błon bakteryjnych po podziale komórki i monitorować zmiany fizykochemiczne wewnątrz komórek. „Wyjątkowość tej aplikacji polega na tym, że emitowane światło różni się od światła naturalnie emitowanego przez komórki, więc nie musimy się martwić sygnałami zakłócającymi, które ograniczały inne tego typu technologie” — mówi Boghossian.
Możliwość wprowadzenia CNT do bakterii w ten sposób może również prowadzić do nowych zastosowań w terapii lub dostarczaniu DNA, które wcześniej były utrudnione przez trudną do penetracji ścianę komórkową bakterii.
Zespół EPFL bada obecnie sposoby przeprogramowania swoich komórek bakteryjnych w celu wytwarzania energii elektrycznej poprzez modyfikację ich DNA. „Organizmy zbierające światło nie są z natury bardzo wydajne w wytwarzaniu energii elektrycznej” – wyjaśnia Boghossian. „Dzieje się tak, ponieważ zostały zaprojektowane przez Naturę do przetrwania, a nie fotowoltaikę. Dzięki niedawnej ekspansji biologii syntetycznej jesteśmy teraz w stanie zmienić przeznaczenie tych komórek, tak aby były genetycznie skłonne do wytwarzania energii elektrycznej”.
