Bacteriile care preiau nanotuburi de carbon cu un singur perete (SWCNT) continuă să se dividă în mod normal și chiar să transmită descendenților lor capacitățile suplimentare rezultate. Acest rezultat, care a fost demonstrat recent de cercetătorii de la EPFL din Elveția, formează baza unui nou domeniu pe care îl numesc „nanobionica moștenită”. Cercetătorii cred că bacteriile modificate ar putea fi folosite pentru a face fotovoltaice vii – dispozitive producătoare de energie despre care spun că ar putea oferi „o soluție reală la criza noastră energetică în curs și eforturile împotriva schimbărilor climatice”.
SWCNT-urile sunt foi rulate de carbon grosime de doar un atom, cu un diametru total de aproximativ 1 nm. Acestea se laudă cu proprietăți electrice, optice și mecanice excelente care le fac ideale pentru multe aplicații în domeniul nanobiotehnologiei. Cercetătorii au plasat, de exemplu, aceste nanostructuri în celule de mamifere pentru a monitoriza metabolismul folosind lumina infraroșie apropiată emisă de nanotuburi. Lumina emisă poate fi, de asemenea, utilizată pentru a vizualiza țesutul biologic adânc în interiorul corpului și pentru a ajuta la furnizarea de medicamente terapeutice în celule. În celulele vegetale, SWCNT-urile au fost chiar folosite pentru a edita genomurile.
Preluarea SWCNT este pasivă, dependentă de lungime și selectivă
În noua lucrare, cercetătorii conduși de Ardemis Boghossian a început prin a împacheta SWCNT-urile cu o acoperire cu proteine încărcate pozitiv. Nanostructurile au fost apoi capabile să interacționeze cu membranele exterioare încărcate negativ din jurul celulelor bacteriene pe care le-au studiat, care provin din gen. Sinechocystis și ustos. Primul este unicelular și sferic, în timp ce al doilea este multicelular și are o formă de șarpe. Ambele sunt bacterii Gram-negative (așa-numite deoarece au un perete celular subțire, precum și o membrană exterioară suplimentară, ceea ce înseamnă că nu rețin colorantul folosit într-un test comun cunoscut sub numele de colorație Gram) și aparțin Cianobacterii filum. Acest grup de bacterii își obțin energia prin fotosinteză, ca și plantele.
Boghossian și colegii au descoperit că ambele Sinechocystis și ustos a preluat SWCNT printr-un proces pasiv, dependent de lungime și selectiv, care permite nanoparticulelor să intre spontan în pereții celulari ai microorganismelor. Ei au descoperit, de asemenea, că nanotuburile ar putea fi vizualizate foarte clar în infraroșu, deoarece au fluorescență în această regiune a spectrului electromagnetic. Într-adevăr, această emisie de lumină a permis cercetătorilor să vadă că SWCNT-urile erau transmise așa-numitelor celule fiice ale bacteriilor atunci când acestea se divid. Celulele fiice moștenesc astfel proprietățile excepționale ale nanotuburilor.
Ca un membru artificial
„Numim asta „nanobionica moștenită”, explică Boghossian. „Este ca și cum ai avea un membru artificial care îți oferă capacități dincolo de ceea ce poți obține în mod natural. Și acum imaginează-ți că copiii tăi își pot moșteni proprietățile de la tine atunci când se vor naște. Nu numai că am transmis bacteriilor acest comportament artificial, dar acest comportament este moștenit și de descendenții lor.”
Și asta nu a fost tot: cercetătorii au descoperit, de asemenea, că bacteriile care conțin nanotuburi produc o cantitate semnificativ mai mare de electricitate atunci când sunt iluminate cu lumină decât bacteriile fără nanotuburi. „Asemenea „fotovoltaice vii” beneficiază de o amprentă de carbon care este negativă – absorb activ, în loc să elibereze, dioxid de carbon”, spune Boghossian. Lumea fizicii. „Acest lucru este în contrast cu fotovoltaica convențională, care, deși profită de cea mai abundentă sursă de energie a noastră – Soarele – generează mult dioxid de carbon în timpul etapei de fabricație.” Acesta este „secretul murdar” al fotovoltaicului, spune ea.
Fotovoltaicele vii au și alte avantaje importante: au mecanisme automate de optimizare a absorbției luminii; se poate auto-repara; și, important, se poate reproduce, adaugă ea. „Nu trebuie să vă faceți griji cu privire la construirea unei fabrici pentru a produce fiecare celulă individuală. Aceste celule folosesc dioxidul de carbon pe care îl preiau pentru a repara automat și a face mai mult din ele însele. Se bazează pe materiale bogate în pământ și sunt ieftine. Acesta este un vis al științei materialelor.”
Domenii de aplicare
Lucrarea, care este detaliată în Natură Nanotehnologia, evidențiază aplicațiile care se concentrează pe captarea luminii, precum și pe imagistica prin fluorescență. „Imagistica, de exemplu, nu numai că ne permite să urmărim celulele de-a lungul generațiilor, dar suntem și capabili să folosim această tehnologie pentru a diferenția celulele vii și cele nevii și diferite tipuri de celule.” spune Boghossian.
„Tobele” de grafen captează vibrațiile de la bacterii individuale
Cercetătorii ar putea chiar să urmărească formarea diferitelor părți ale membranelor bacteriene după diviziunea celulară datorită luminii emise de nanotuburi și să monitorizeze modificările fizico-chimice din interiorul celulelor. „Ceea ce este special la această aplicație este că lumina emisă este diferită de lumina care este emisă în mod natural de celule, așa că nu trebuie să ne facem griji cu privire la semnalele de interferență care au limitat alte astfel de tehnologii”, spune Boghossian.
Posibilitatea de a introduce CNT-uri în bacterii în acest fel ar putea duce, de asemenea, la noi aplicații în terapie sau livrarea ADN-ului, care anterior au fost împiedicate de pereții celulari bacterieni greu de pătruns.
Echipa EPFL studiază acum modalități de a-și reprograma celulele bacteriene pentru a produce electricitate prin modificarea ADN-ului lor. „Organismele de recoltare a luminii nu sunt în mod natural foarte eficiente în producerea de energie electrică”, explică Boghossian. „Acest lucru se datorează faptului că au fost concepute de natură pentru supraviețuire, nu pentru fotovoltaice. Odată cu extinderea recentă a biologiei sintetice, suntem acum în măsură să reutilizam aceste celule astfel încât să fie înclinate genetic să producă electricitate.”
