Bakterije, ki sprejmejo enostenske ogljikove nanocevke (SWCNT), se še naprej normalno delijo in celo prenesejo posledične dodatne zmogljivosti na svoje potomce. Ta rezultat, ki so ga nedavno dokazali raziskovalci na EPFL v Švici, tvori osnovo novega področja, ki ga imenujejo "podedovana nanobionika". Raziskovalci verjamejo, da bi lahko spremenjene bakterije uporabili za izdelavo žive fotovoltaike – naprav za proizvodnjo energije, za katere pravijo, da bi lahko zagotovile "resnično rešitev za našo sedanjo energetsko krizo in prizadevanja proti podnebnim spremembam".
SWCNT so zvite plošče ogljika, debele le en atom, s skupnim premerom približno 1 nm. Ponašajo se z odličnimi električnimi, optičnimi in mehanskimi lastnostmi, zaradi katerih so idealni za številne aplikacije na področju nanobiotehnologije. Raziskovalci so na primer postavili te nanostrukture v celice sesalcev za spremljanje metabolizma z uporabo skoraj infrardeče svetlobe, ki jo oddajajo nanocevke. Oddano svetlobo je mogoče uporabiti tudi za slikanje biološkega tkiva globoko v telesu in pomoč pri dostavi terapevtskih zdravil v celice. V rastlinskih celicah so bili SWCNT uporabljeni celo za urejanje genomov.
Sprejemanje SWCNT je pasivno, odvisno od dolžine in selektivno
V novem delu so raziskovalci pod vodstvom Ardemis Boghossian začel z ovijanjem SWCNT s pozitivno nabito beljakovinsko prevleko. Nanostrukture so lahko nato delovale z negativno nabitimi zunanjimi membranami, ki obdajajo bakterijske celice, ki so jih preučevali in prihajajo iz rodu Synechocystis in ustos. Prvi je enocelični in sferičen, medtem ko je drugi večcelični in ima kačo podobno obliko. Obe sta gramnegativni bakteriji (tako imenovani, ker imata tanko celično steno in dodatno zunanjo membrano, kar pomeni, da ne zadržita barvila, uporabljenega v običajnem testu, znanem kot barvanje po Gramu), in pripadata Cianobakterije deblo. Ta skupina bakterij pridobiva energijo s fotosintezo, tako kot rastline.
Boghossian in sodelavci so ugotovili, da oboje Synechocystis in ustos prevzel SWCNT s pasivnim, od dolžine odvisnim in selektivnim postopkom, ki nanodelcem omogoča spontan vstop v celične stene mikroorganizmov. Odkrili so tudi, da je mogoče nanocevke zelo jasno prikazati v infrardečem sevanju, ker fluorescirajo v tem območju elektromagnetnega spektra. Dejansko je ta svetlobna emisija omogočila raziskovalcem, da so videli, da se SWCNT prenašajo na tako imenovane hčerinske celice bakterij, ko se delijo. Hčerinske celice tako podedujejo izjemne lastnosti nanocevk.
Kot umetni ud
»Temu pravimo 'podedovana nanobionika',« pojasnjuje Boghossian. »Kot da bi imel umetni ud, ki ti daje zmožnosti, ki presegajo tisto, kar lahko dosežeš naravno. In zdaj si predstavljajte, da lahko vaši otroci podedujejo njegove lastnosti od vas, ko se rodijo. Ne samo, da smo bakterijam posredovali to umetno vedenje, ampak to vedenje podedujejo tudi njihovi potomci.«
In to še ni vse: raziskovalci so ugotovili tudi, da bakterije, ki vsebujejo nanocevke, ob osvetlitvi s svetlobo proizvedejo znatno večjo količino električne energije kot bakterije brez nanocevk. »Takšni 'živi fotovoltaiki' imajo koristi od ogljičnega odtisa, ki je negativen – ogljikov dioksid aktivno absorbirajo, namesto da ga sproščajo,« pravi Boghossian. Svet fizike. "To je v nasprotju s konvencionalno fotovoltaiko, ki medtem ko izkorišča naš najbogatejši vir energije - Sonce - ustvari veliko ogljikovega dioksida v fazi proizvodnje." To je "umazana skrivnost" fotovoltaike, pravi.
Bivalna fotovoltaika ima še druge pomembne prednosti: ima avtomatizirane mehanizme za optimizacijo absorpcije svetlobe; lahko samopopravi; in kar je pomembno, se lahko razmnožuje, dodaja. »Ni vam treba skrbeti za izgradnjo tovarne za proizvodnjo vsake posamezne celice. Te celice uporabljajo ogljikov dioksid, ki ga zaužijejo, da se samodejno popravijo in ustvarijo več. Zanašajo se na materiale, ki jih je v izobilju, in so poceni. To so sanje znanosti o materialih.«
Področja uporabe
Delo, ki je podrobno opisano v Naravna nanotehnologija, poudarja aplikacije, ki se osredotočajo na zbiranje svetlobe in fluorescenčno slikanje. "Slikovno slikanje nam na primer ne omogoča samo sledenja celicam med generacijami, temveč lahko to tehnologijo uporabimo tudi za razlikovanje med živimi in neživimi celicami ter različnimi tipi celic." Boghossian pravi.
Grafenski 'bobni' pobirajo vibracije posameznih bakterij
Raziskovalci so lahko celo sledili nastanku različnih delov bakterijskih membran po delitvi celic zahvaljujoč svetlobi, ki jo oddajajo nanocevke, in spremljali fizikalno-kemijske spremembe znotraj celic. "Kar je posebno pri tej aplikaciji, je, da se oddajana svetloba razlikuje od svetlobe, ki jo naravno oddajajo celice, zato nam ni treba skrbeti za moteče signale, ki omejujejo druge tovrstne tehnologije," pravi Boghossian.
Zmožnost uvedbe CNT v bakterije na ta način bi lahko vodila tudi do novih aplikacij v terapevtiki ali dostavi DNK, ki so jih prej ovirale stene bakterijskih celic, v katere je težko prodreti.
Ekipa EPFL zdaj proučuje načine, kako ponovno programirati svoje bakterijske celice za proizvodnjo električne energije s spreminjanjem njihove DNK. "Organizmi, ki pridobivajo svetlobo, seveda niso zelo učinkoviti pri proizvodnji električne energije," pojasnjuje Boghossian. »To je zato, ker jih je narava oblikovala za preživetje, ne za fotovoltaiko. Z nedavno širitvijo sintetične biologije smo zdaj v položaju, da te celice ponovno uporabimo tako, da bodo genetsko nagnjene k proizvajanju električne energije.«
