Бактерии, использующие одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ), продолжают делиться как обычно и даже передают полученные дополнительные возможности своим потомкам. Этот результат, недавно продемонстрированный исследователями из EPFL в Швейцарии, лежит в основе новой области, которую они называют «унаследованной нанобионикой». Исследователи считают, что модифицированные бактерии могут быть использованы для создания живых фотоэлектрических элементов — устройств, производящих энергию, которые, по их словам, могут обеспечить «реальное решение нашего продолжающегося энергетического кризиса и усилий по борьбе с изменением климата».
ОУНТ представляют собой скрученные листы углерода толщиной всего в один атом с общим диаметром около 1 нм. Они обладают отличными электрическими, оптическими и механическими свойствами, что делает их идеальными для многих приложений в области нанобиотехнологий. Исследователи, например, поместили эти наноструктуры в клетки млекопитающих, чтобы отслеживать метаболизм с помощью ближнего инфракрасного света, излучаемого нанотрубками. Излучаемый свет также можно использовать для визуализации биологической ткани глубоко внутри тела и для доставки терапевтических препаратов в клетки. В растительных клетках ОУНТ даже использовались для редактирования геномов.
Захват SWCNT является пассивным, зависящим от длины и избирательным.
В новой работе исследователи под руководством Ардемис Богосян начали с покрытия SWCNT положительно заряженным белковым покрытием. Затем наноструктуры смогли взаимодействовать с отрицательно заряженными внешними мембранами, окружающими изучаемые ими бактериальные клетки, происходящие из рода Синехоцистис и Nostos. Первый одноклеточный и шаровидный, а второй многоклеточный и имеет змеевидную форму. Обе являются грамотрицательными бактериями (названы так потому, что у них тонкая клеточная стенка, а также дополнительная внешняя мембрана, что означает, что они не сохраняют краситель, используемый в обычном тесте, известном как окраска по Граму), и они принадлежат к группе Цианобактерии тип. Эта группа бактерий получает энергию посредством фотосинтеза, как и растения.
Богосян и его коллеги обнаружили, что оба Синехоцистис и Nostos захватили SWCNT посредством пассивного, зависящего от длины и селективного процесса, который позволяет наночастицам спонтанно проникать в клеточные стенки микроорганизмов. Они также обнаружили, что нанотрубки можно очень четко отображать в инфракрасном диапазоне, поскольку они флуоресцируют в этой области электромагнитного спектра. Действительно, это свечение позволило исследователям увидеть, что ОУНТ передавались так называемым дочерним клеткам бактерий при их делении. Таким образом, дочерние клетки наследуют исключительные свойства нанотрубок.
Как искусственная конечность
«Мы называем это «унаследованной нанобионикой», — объясняет Богоссян. «Это похоже на искусственную конечность, которая дает вам возможности, превосходящие то, что вы можете достичь естественным путем. А теперь представьте, что ваши дети могут унаследовать его свойства от вас, когда родятся. Мало того, что мы придали бактериям это искусственное поведение, это поведение также унаследовано их потомками».
И это еще не все: исследователи также обнаружили, что бактерии, содержащие нанотрубки, производят значительно большее количество электричества при освещении светом, чем бактерии без нанотрубок. «Такие «живые фотоэлектрические элементы» извлекают выгоду из отрицательного углеродного следа — они активно поглощают, а не выделяют углекислый газ», — говорит Богосян. Мир физики. «Это контрастирует с обычными фотогальваническими элементами, которые, используя наш самый богатый источник энергии — Солнце, — производят много углекислого газа на этапе производства». По ее словам, это «грязный секрет» фотогальваники.
У живых фотогальванических элементов есть и другие важные преимущества: они имеют автоматизированные механизмы оптимизации поглощения света; может самостоятельно ремонтировать; и, что немаловажно, могут размножаться, добавляет она. «Вам не нужно беспокоиться о строительстве завода по производству каждой отдельной ячейки. Эти клетки используют углекислый газ, который они поглощают, для автоматического восстановления и создания большего количества самих себя. Они полагаются на материалы, изобилующие землей, и они дешевы. Это мечта материаловедения».
Области применения
Работа, подробно описанная в Природа Нанотехнология, освещает приложения, ориентированные на сбор света, а также на флуоресцентную визуализацию. «Например, визуализация не только позволяет нам отслеживать клетки разных поколений, мы также можем использовать эту технологию, чтобы различать живые и неживые клетки, а также разные типы клеток». — говорит Богосян.
Графеновые «барабаны» улавливают колебания отдельных бактерий
Благодаря свету, излучаемому нанотрубками, исследователи могли даже отслеживать формирование различных частей бактериальных мембран после деления клеток и следить за физико-химическими изменениями внутри клеток. «Что особенного в этом приложении, так это то, что излучаемый свет отличается от света, который естественным образом излучается клетками, поэтому нам не нужно беспокоиться о мешающих сигналах, которые ограничивали другие подобные технологии», — говорит Богоссян.
Возможность вводить УНТ в бактерии таким образом может также привести к новым применениям в терапии или доставке ДНК, которые ранее были затруднены из-за труднопроницаемых клеточных стенок бактерий.
В настоящее время команда EPFL изучает способы перепрограммирования своих бактериальных клеток для производства электричества путем модификации их ДНК. «Собирающие свет организмы, естественно, не очень эффективны в производстве электричества», — объясняет Богосян. «Это потому, что они были созданы природой для выживания, а не для фотогальваники. Благодаря недавнему расширению синтетической биологии мы теперь можем изменить назначение этих клеток, чтобы они были генетически склонны производить электричество».
