Tek duvarlı karbon nanotüpleri (SWCNT'ler) kaplayan bakteriler normal şekilde bölünmeye devam ediyor ve hatta ortaya çıkan ekstra yetenekleri kendi soyundan gelenlere aktarıyor. Yakın zamanda İsviçre'deki EPFL'deki araştırmacılar tarafından ortaya konan bu sonuç, "kalıtsal nanobiyonik" adını verdikleri yeni bir alanın temelini oluşturuyor. Araştırmacılar, değiştirilmiş bakterilerin, "devam eden enerji krizimize ve iklim değişikliğine karşı çabalarımıza gerçek bir çözüm" sağlayabileceğini söyledikleri enerji üreten cihazlar olan canlı fotovoltaiklerin yapımında kullanılabileceğine inanıyor.
SWCNT'ler, toplam çapı yaklaşık 1 nm olan, yalnızca bir atom kalınlığında sarılmış karbon tabakalarıdır. Nanobiyoteknoloji alanındaki birçok uygulama için onları ideal kılan mükemmel elektriksel, optik ve mekanik özelliklere sahiptirler. Örneğin araştırmacılar, nanotüplerin yaydığı yakın kızılötesi ışığı kullanarak metabolizmayı izlemek için bu nanoyapıları memeli hücrelerine yerleştirdiler. Yayılan ışık aynı zamanda vücudun derinliklerindeki biyolojik dokuyu görüntülemek ve terapötik ilaçların hücrelere iletilmesine yardımcı olmak için de kullanılabilir. Bitki hücrelerinde SWCNT'ler genomları düzenlemek için bile kullanıldı.
SWCNT alımı pasif, uzunluğa bağlı ve seçicidir
Yeni çalışmada, liderliğindeki araştırmacılar Ardemis Boğosyan SWCNT'leri pozitif yüklü bir protein kaplamayla sararak başladı. Nanoyapılar daha sonra üzerinde çalıştıkları bakteri hücrelerini çevreleyen negatif yüklü dış zarlarla etkileşime girebildi. sinekosist ve ustos. Birincisi tek hücreli ve küreseldir, ikincisi ise çok hücreli ve yılan benzeri bir şekle sahiptir. Her ikisi de Gram-negatif bakterilerdir (ince bir hücre duvarının yanı sıra ek bir dış zara sahip oldukları için bu şekilde adlandırılmıştır; yani Gram boyama olarak bilinen ortak bir testte kullanılan boyayı tutmazlar) ve Siyanobakteri filum. Bu bakteri grubu da enerjisini bitkiler gibi fotosentez yoluyla elde eder.
Boghossian ve meslektaşları şunu buldular: sinekosist ve ustos SWCNT'leri, nanopartiküllerin mikroorganizmaların hücre duvarlarına kendiliğinden girmesine izin veren pasif, uzunluğa bağlı ve seçici bir süreç yoluyla aldı. Ayrıca nanotüplerin, elektromanyetik spektrumun bu bölgesinde floresans yaydıkları için kızılötesinde çok net bir şekilde görüntülenebildiğini de keşfettiler. Gerçekten de, bu ışık emisyonu araştırmacıların SWCNT'lerin bölündüklerinde bakterilerin yavru hücrelerine aktarıldığını görmelerine olanak sağladı. Böylece yavru hücreler nanotüplerin olağanüstü özelliklerini miras alır.
Yapay bir uzuv gibi
Boghossian, "Biz buna 'kalıtsal nanobiyonikler' diyoruz" diye açıklıyor. “Bu, doğal olarak elde edebileceğinizin ötesinde yetenekler sunan yapay bir uzvun olması gibi bir şey. Ve şimdi çocuklarınızın doğduklarında onun mallarını sizden miras alabileceklerini hayal edin. Bakterilere bu yapay davranışı kazandırmakla kalmadık, aynı zamanda bu davranış onların soyundan gelenlere de miras kaldı."
Hepsi bu kadar da değil: Araştırmacılar ayrıca nanotüp içeren bakterilerin, ışıkla aydınlatıldığında nanotüp içermeyen bakterilere göre çok daha fazla miktarda elektrik ürettiğini de buldu. Boghossian şöyle diyor: "Böyle 'yaşayan fotovoltaikler' negatif karbon ayak izinden yararlanıyor; karbon dioksit salmak yerine aktif olarak alıyorlar." Fizik dünyası. "Bu, en bol enerji kaynağımız olan Güneş'ten yararlanırken üretim aşamasında çok fazla karbondioksit üreten geleneksel fotovoltaiklerin tersidir." Bunun fotovoltaiklerin “kirli sırrı” olduğunu söylüyor.
Canlı fotovoltaiklerin başka önemli avantajları da vardır: ışık emilimini optimize etmek için otomatik mekanizmalara sahiptirler; kendi kendini onarabilir; ve daha da önemlisi çoğalabildiğini ekliyor. “Her bir hücreyi üretmek için bir fabrika kurma konusunda endişelenmenize gerek yok. Bu hücreler aldıkları karbondioksiti otomatik olarak onarmak ve kendilerini daha fazla üretmek için kullanırlar. Toprakta bol miktarda bulunan malzemelere güveniyorlar ve ucuzlar. Bu bir malzeme bilimi rüyasıdır.”
Uygulama alanları
Ayrıntılı olarak açıklanan çalışma Doğa Nanoteknolojisi, floresan görüntülemenin yanı sıra ışık toplamaya da odaklanan uygulamaları öne çıkarıyor. "Örneğin görüntüleme, hücreleri nesiller boyunca takip etmemize olanak sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda bu teknolojiyi canlı ve cansız hücreleri ve farklı hücre türlerini ayırt etmek için de kullanabiliyoruz." Boghossian diyor.
Grafen 'davulları' bireysel bakterilerden gelen titreşimleri alır
Hatta araştırmacılar, nanotüplerin yaydığı ışık sayesinde hücre bölünmesi sonrasında bakteri zarının farklı bölümlerinin oluşumunu takip edebildi ve hücrelerin içindeki fizikokimyasal değişiklikleri izleyebildi. Boghossian, "Bu uygulamayı özel kılan şey, yayılan ışığın hücreler tarafından doğal olarak yayılan ışıktan farklı olmasıdır, dolayısıyla bu tür diğer teknolojileri sınırlayan parazitli sinyaller konusunda endişelenmemize gerek yok" diyor.
CNT'lerin bakterilere bu şekilde sokulabilmesi, daha önce nüfuz etmesi zor olan bakteri hücre duvarları tarafından engellenen terapötik veya DNA dağıtımında yeni uygulamalara da yol açabilir.
EPFL ekibi şu anda bakteri hücrelerini DNA'larını değiştirerek elektrik üretecek şekilde yeniden programlamanın yollarını araştırıyor. Boghossian, "Işığı toplayan organizmalar doğal olarak elektrik üretme konusunda pek verimli değiller" diye açıklıyor. “Bunun nedeni bunların fotovoltaikler değil, Doğa tarafından hayatta kalmak için tasarlanmış olmasıdır. Sentetik biyolojinin son zamanlardaki genişlemesiyle birlikte, artık bu hücreleri genetik olarak elektrik üretmeye yatkın olacak şekilde yeniden kullanabilecek konumdayız."
