เปิดตัว 'นาโนไบโอนิกที่สืบทอดมา'

แบคทีเรียที่ใช้ท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังชั้นเดียว (SWCNTs) ยังคงแบ่งตัวตามปกติและยังส่งต่อความสามารถพิเศษที่เกิดขึ้นไปยังลูกหลานของพวกมัน ผลลัพธ์นี้ซึ่งแสดงให้เห็นเมื่อเร็ว ๆ นี้โดยนักวิจัยที่ EPFL ในสวิตเซอร์แลนด์ ก่อให้เกิดพื้นฐานของฟิลด์ใหม่ที่พวกเขาเรียกว่า “นาโนไบโอนิกที่สืบทอดมา” นักวิจัยเชื่อว่าแบคทีเรียที่ผ่านการดัดแปลงสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีชีวิต ซึ่งเป็นอุปกรณ์ผลิตพลังงานที่พวกเขากล่าวว่าสามารถให้ “ทางออกที่แท้จริงสำหรับวิกฤตพลังงานที่กำลังดำเนินอยู่ของเราและความพยายามต่อต้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ”

SWCNTs เป็นแผ่นคาร์บอนที่ม้วนหนาเพียงหนึ่งอะตอม โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางรวมประมาณ 1 นาโนเมตร มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า แสง และทางกลที่ดีเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานหลายประเภทในด้านนาโนเทคโนโลยี ตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้วางโครงสร้างนาโนเหล่านี้ไว้ในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเพื่อตรวจสอบเมแทบอลิซึมโดยใช้แสงอินฟราเรดใกล้ที่ปล่อยออกมาจากท่อนาโน แสงที่ปล่อยออกมายังสามารถใช้เพื่อถ่ายภาพเนื้อเยื่อชีวภาพที่อยู่ลึกเข้าไปในร่างกายและช่วยส่งยารักษาโรคเข้าสู่เซลล์ ในเซลล์พืชมีการใช้ SWCNT เพื่อแก้ไขจีโนมด้วยซ้ำ

การซื้อ SWCNT เป็นแบบพาสซีฟ ขึ้นอยู่กับความยาวและแบบเลือก

ในงานใหม่นี้ นักวิจัยนำโดย อาร์เดมิส โบโกเซียน เริ่มด้วยการห่อ SWCNTs ด้วยการเคลือบโปรตีนที่มีประจุบวก โครงสร้างนาโนสามารถโต้ตอบกับเยื่อหุ้มชั้นนอกที่มีประจุลบซึ่งล้อมรอบเซลล์แบคทีเรียที่พวกเขาศึกษาซึ่งมาจากสกุล ซินโคซิสติส และ นอสทอส. อันแรกเป็นเซลล์เดียวและเป็นทรงกลมในขณะที่อันหลังมีหลายเซลล์และมีรูปร่างคล้ายงู แบคทีเรียทั้งสองชนิดเป็นแบคทีเรียแกรมลบ (ที่เรียกว่าเพราะมีผนังเซลล์บางและมีเยื่อหุ้มชั้นนอกเพิ่มเติม หมายความว่าพวกมันไม่เก็บสีย้อมที่ใช้ในการทดสอบทั่วไปที่เรียกว่าคราบแกรม) และพวกมันอยู่ใน ไซยาโนแบคทีเรีย ไฟลัม แบคทีเรียกลุ่มนี้ได้รับพลังงานผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสงเช่นเดียวกับพืช

Boghossian และเพื่อนร่วมงานพบว่าทั้งคู่ ซินโคซิสติส และ นอสทอส ใช้ SWCNTs ผ่านกระบวนการแบบพาสซีฟ ขึ้นอยู่กับความยาวและแบบเลือก ซึ่งช่วยให้อนุภาคนาโนสามารถเข้าสู่ผนังเซลล์ของจุลินทรีย์ได้เองตามธรรมชาติ พวกเขายังค้นพบว่าท่อนาโนสามารถถ่ายภาพได้อย่างชัดเจนในอินฟราเรด เนื่องจากพวกมันจะเรืองแสงในบริเวณนี้ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า อันที่จริง การปล่อยแสงนี้ทำให้นักวิจัยเห็นว่า SWCNTs กำลังถูกส่งต่อไปยังสิ่งที่เรียกว่าเซลล์ลูกของแบคทีเรียเมื่อพวกมันแบ่งตัว เซลล์ลูกจึงสืบทอดคุณสมบัติพิเศษของท่อนาโน

เหมือนแขนขาเทียม

“เราเรียกสิ่งนี้ว่า 'นาโนไบโอนิกที่สืบทอดมา'” Boghossian อธิบาย “มันเหมือนกับการมีขาเทียมที่ให้ความสามารถที่เหนือกว่าความสามารถตามธรรมชาติของคุณ และตอนนี้ลองจินตนาการว่าลูก ๆ ของคุณสามารถรับมรดกจากคุณเมื่อพวกเขาเกิด ไม่เพียงแต่เราถ่ายทอดพฤติกรรมประดิษฐ์นี้ให้กับแบคทีเรียเท่านั้น แต่พฤติกรรมนี้ยังสืบทอดมาจากลูกหลานของพวกมันด้วย”

และนั่นไม่ใช่ทั้งหมด: นักวิจัยยังพบว่าแบคทีเรียที่มีท่อนาโนจะผลิตกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่มากกว่าเมื่อส่องด้วยแสงอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าแบคทีเรียที่ไม่มีท่อนาโน “เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีชีวิต” ดังกล่าวได้รับประโยชน์จากรอยเท้าคาร์บอนที่เป็นค่าลบ – พวกมันดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์แทนที่จะปล่อย” Boghossian กล่าว โลกฟิสิกส์. “สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับแผงโซลาร์เซลล์แบบทั่วไป ซึ่งในขณะเดียวกันก็ใช้ประโยชน์จากแหล่งพลังงานที่มีอยู่มากที่สุดของเรา – ดวงอาทิตย์ – สร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากในระหว่างขั้นตอนการผลิต” นี่เป็น "ความลับสกปรก" ของแผงโซลาร์เซลล์ เธอกล่าว

เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีชีวิตยังมีข้อได้เปรียบที่สำคัญอื่น ๆ ได้แก่ มีกลไกอัตโนมัติสำหรับปรับการดูดกลืนแสงให้เหมาะสม สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ และที่สำคัญสามารถขยายพันธุ์ได้ เธอกล่าวเสริม “คุณไม่ต้องกังวลกับการสร้างโรงงานเพื่อผลิตเซลล์แต่ละเซลล์ เซลล์เหล่านี้ใช้คาร์บอนไดออกไซด์เพื่อซ่อมแซมและสร้างตัวเองให้มากขึ้นโดยอัตโนมัติ พวกเขาพึ่งพาวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ในโลกและมีราคาถูก นี่คือความฝันด้านวัสดุศาสตร์”

พื้นที่การใช้งาน

ผลงานซึ่งมีรายละเอียดอยู่ใน นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติเน้นการใช้งานที่เน้นการเก็บเกี่ยวแสงและการถ่ายภาพด้วยแสงฟลูออเรสเซนซ์ “ภาพตัวอย่าง ไม่เพียงแต่ช่วยให้เราสามารถติดตามเซลล์ข้ามรุ่นเท่านั้น เรายังสามารถใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างเซลล์ที่มีชีวิตและไม่มีชีวิต และเซลล์ประเภทต่างๆ ได้” โบโกเซียนกล่าว

นักวิจัยยังสามารถติดตามการก่อตัวของส่วนต่าง ๆ ของเยื่อหุ้มแบคทีเรียหลังการแบ่งเซลล์ได้ด้วยแสงที่ปล่อยออกมาจากท่อนาโนและตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงทางเคมีกายภาพภายในเซลล์ “สิ่งพิเศษเกี่ยวกับแอปพลิเคชันนี้คือแสงที่ปล่อยออกมาแตกต่างจากแสงที่เซลล์เปล่งออกมาตามธรรมชาติ ดังนั้นเราจึงไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับการรบกวนสัญญาณที่จำกัดเทคโนโลยีดังกล่าวอื่นๆ” Boghossian กล่าว

ความสามารถในการนำ CNTs เข้าสู่แบคทีเรียด้วยวิธีนี้อาจนำไปสู่การประยุกต์ใช้ใหม่ในการรักษาหรือการส่งมอบ DNA ซึ่งก่อนหน้านี้ถูกขัดขวางโดยผนังเซลล์ของแบคทีเรียที่ยากต่อการเจาะทะลุ

ขณะนี้ทีม EPFL กำลังศึกษาวิธีการตั้งโปรแกรมเซลล์แบคทีเรียใหม่เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการปรับเปลี่ยน DNA Boghossian อธิบายว่า “สิ่งมีชีวิตที่เก็บเกี่ยวแสงนั้นไม่มีประสิทธิภาพมากนักโดยธรรมชาติในการผลิตไฟฟ้า” Boghossian อธิบาย “นี่เป็นเพราะพวกมันได้รับการออกแบบโดยธรรมชาติเพื่อความอยู่รอด ไม่ใช่เซลล์แสงอาทิตย์ ด้วยการขยายตัวของชีววิทยาสังเคราะห์เมื่อเร็วๆ นี้ ตอนนี้เราอยู่ในฐานะที่จะปรับเปลี่ยนวัตถุประสงค์ของเซลล์เหล่านี้เพื่อให้เซลล์เหล่านี้มีความโน้มเอียงทางพันธุกรรมในการผลิตกระแสไฟฟ้า”