Bakterier som tar upp enkelväggiga kolnanorör (SWCNT) fortsätter att dela sig som vanligt och till och med överföra den resulterande extra kapaciteten till sina ättlingar. Detta resultat, som nyligen demonstrerades av forskare vid EPFL i Schweiz, utgör grunden för ett nytt område som de kallar "ärvd nanobionik". Forskarna tror att de modifierade bakterierna kan användas för att göra levande solceller – energiproducerande enheter som de säger skulle kunna ge "en verklig lösning på vår pågående energikris och insatser mot klimatförändringar".
SWCNTs är upprullade ark av kol bara en atom tjocka, med en total diameter på cirka 1 nm. De har utmärkta elektriska, optiska och mekaniska egenskaper som gör dem idealiska för många applikationer inom nanobioteknik. Forskare har till exempel placerat dessa nanostrukturer i däggdjursceller för att övervaka ämnesomsättningen med hjälp av nära-infrarött ljus som sänds ut av nanorören. Ljuset som emitteras kan också användas för att avbilda biologisk vävnad djupt inne i kroppen och hjälpa till att leverera terapeutiska läkemedel till celler. I växtceller har SWCNT till och med använts för att redigera genom.
SWCNT-upptagning är passiv, längdberoende och selektiv
I det nya arbetet har forskare under ledning av Ardemis Boghossian började med att slå in SWCNT med en positivt laddad proteinbeläggning. Nanostrukturerna kunde sedan interagera med de negativt laddade yttre membranen som omger de bakterieceller de studerade, som kommer från släktet Synechocystis och ustos. Den förra är encellig och sfärisk medan den senare är flercellig och har en ormliknande form. Båda är gramnegativa bakterier (så kallade eftersom de har en tunn cellvägg samt ett extra yttre membran, vilket innebär att de inte behåller färgämnet som används i ett vanligt test som kallas Gram-färgning), och de tillhör cyanobakterier provins. Denna grupp av bakterier får sin energi genom fotosyntes, som växter.
Boghossian och kollegor fann att båda Synechocystis och ustos tog upp SWCNT genom en passiv, längdberoende och selektiv process som gör att nanopartiklarna spontant kan komma in i mikroorganismernas cellväggar. De upptäckte också att nanorören kunde avbildas mycket tydligt i infrarött eftersom de fluorescerar i denna region av det elektromagnetiska spektrumet. Faktum är att denna ljusemission gjorde det möjligt för forskarna att se att SWCNTs överfördes till bakteriernas så kallade dotterceller när de delar sig. Dottercellerna ärver alltså nanorörens exceptionella egenskaper.
Som en konstgjord lem
"Vi kallar detta "ärvd nanobionics", förklarar Boghossian. "Det är som att ha en konstgjord lem som ger dig förmågor utöver vad du kan uppnå naturligt. Och föreställ dig nu att dina barn kan ärva dess egenskaper från dig när de föds. Inte bara gav vi bakterierna detta konstgjorda beteende, utan detta beteende ärvs också av deras ättlingar."
Och det var inte allt: forskarna fann också att bakterier som innehåller nanorör producerar en betydligt större mängd elektricitet när de belyses med ljus än bakterier utan nanorör. "Sådana "levande solceller" drar nytta av ett koldioxidavtryck som är negativt – de tar aktivt upp, snarare än släpper ut, koldioxid, säger Boghossian Fysikvärlden. "Detta står i motsats till konventionella solceller, som samtidigt som vi drar fördel av vår mest rikliga energikälla - solen - genererar mycket koldioxid under tillverkningsstadiet." Det här är solcellernas "smutsiga hemlighet", säger hon.
Levande solceller har också andra viktiga fördelar: de har automatiserade mekanismer för att optimera ljusabsorptionen; kan självreparera; och viktigare, kan reproducera, tillägger hon. ”Du behöver inte oroa dig för att bygga en fabrik för att tillverka varje enskild cell. Dessa celler använder den koldioxid de tar upp för att automatiskt reparera och göra mer av sig själva. De förlitar sig på jordnära material, och de är billiga. Det här är en materialvetenskaplig dröm."
Applikationsområden
Arbetet, som beskrivs i detalj i Natur nanoteknik, belyser tillämpningar som fokuserar på ljusskörd samt fluorescensavbildning. "Bildbehandlingen, till exempel, tillåter oss inte bara att spåra cellerna över generationer, vi kan också använda den här tekniken för att skilja mellan levande och icke-levande celler och olika celltyper." säger Boghossian.
Grafen "trummor" tar upp vibrationer från enskilda bakterier
Forskarna kunde till och med spåra bildandet av olika delar av bakteriemembranen efter celldelning tack vare ljuset som sänds ut av nanorören och övervaka fysikalisk-kemiska förändringar inuti cellerna. "Det som är speciellt med den här applikationen är att det emitterade ljuset skiljer sig från ljuset som naturligt sänds ut av cellerna, så vi behöver inte oroa oss för störande signaler som har begränsat andra sådana tekniker", säger Boghossian.
Att kunna introducera CNT i bakterier på detta sätt skulle också kunna leda till nya tillämpningar inom terapeutika eller DNA-leverans som tidigare hindrades av de svårpenetrerade bakteriecellsväggarna.
EPFL-teamet studerar nu sätt att omprogrammera sina bakterieceller för att producera elektricitet genom att modifiera deras DNA. "Ljusskördande organismer är naturligtvis inte särskilt effektiva på att producera elektricitet", förklarar Boghossian. "Detta beror på att de har konstruerats av naturen för överlevnad, inte solceller. Med den senaste expansionen av syntetisk biologi är vi nu i en position att återanvända dessa celler så att de är genetiskt benägna att producera elektricitet."
