Бактерії, які поглинають одностінні вуглецеві нанотрубки (ОСВНТ), продовжують ділитися як зазвичай і навіть передають отримані додаткові можливості своїм нащадкам. Цей результат, який нещодавно продемонстрували дослідники з EPFL у Швейцарії, є основою нової галузі, яку вони називають «успадкованою нанобіонікою». Дослідники вважають, що модифіковані бактерії можуть бути використані для створення живих фотоелектричних пристроїв, що виробляють енергію, які, за їх словами, можуть забезпечити «справжнє вирішення нашої поточної енергетичної кризи та зусиль проти зміни клімату».
SWCNT - це згорнуті листи вуглецю товщиною всього в один атом із загальним діаметром приблизно 1 нм. Вони мають чудові електричні, оптичні та механічні властивості, що робить їх ідеальними для багатьох застосувань у сфері нанобіотехнологій. Дослідники, наприклад, помістили ці наноструктури в клітини ссавців для моніторингу метаболізму за допомогою ближнього інфрачервоного світла, яке випромінюють нанотрубки. Випромінюване світло також можна використовувати для зображення біологічної тканини глибоко всередині тіла та сприяння доставці терапевтичних препаратів у клітини. У рослинних клітинах ОУНТ навіть використовували для редагування геномів.
Поглинання SWCNT є пасивним, залежить від довжини та вибірковим
У новій роботі дослідники під керівництвом Ардеміс Богосян почалося з обгортання SWCNT позитивно зарядженим білковим покриттям. Потім наноструктури змогли взаємодіяти з негативно зарядженими зовнішніми мембранами, що оточували бактеріальні клітини, які вони вивчали, які походять з роду Синехоцист та Ностос. Перший одноклітинний і сферичний, а другий багатоклітинний і має змієподібну форму. Обидва є грамнегативними бактеріями (так їх називають тому, що вони мають тонку клітинну стінку, а також додаткову зовнішню мембрану, що означає, що вони не зберігають барвник, який використовується в загальному тесті, відомому як фарбування за Грамом), і вони належать до Ціанобактерії тип. Ця група бактерій отримує енергію за допомогою фотосинтезу, як рослини.
Богосян і його колеги виявили, що обидва Синехоцист та Ностос поглинув SWCNT через пасивний, залежний від довжини та селективний процес, який дозволяє наночастинкам спонтанно проникати в клітинні стінки мікроорганізмів. Вони також виявили, що нанотрубки можна дуже чітко відобразити в інфрачервоному діапазоні, оскільки вони флуоресцують у цій області електромагнітного спектру. Дійсно, це світлове випромінювання дозволило дослідникам побачити, що SWCNTs передаються так званим дочірнім клітинам бактерій, коли вони діляться. Таким чином, дочірні клітини успадковують виняткові властивості нанотрубок.
Як протез
«Ми називаємо це «успадкованою нанобіонікою», — пояснює Богосян. «Це як мати протез, який дає вам можливості, що перевищують ті, які ви можете досягти природним шляхом. А тепер уявіть, що ваші діти можуть успадкувати його властивості від вас, коли народяться. Ми не тільки надали бактеріям таку штучну поведінку, цю поведінку також успадковують їхні нащадки».
І це ще не все: дослідники також виявили, що бактерії, що містять нанотрубки, виробляють значно більшу кількість електроенергії при освітленні світлом, ніж бактерії без нанотрубок. «Такі «живі фотоелектричні» виграють від вуглецевого сліду, який є негативним – вони активно поглинають, а не виділяють вуглекислий газ», – розповідає Богосян. Світ фізики. «Це на відміну від традиційних фотоелектричних пристроїв, які, використовуючи переваги нашого найпоширенішого джерела енергії – Сонця, генерують багато вуглекислого газу на етапі виробництва». Це «брудний секрет» фотоелектричної енергії, каже вона.
Жива фотовольтаїка також має інші важливі переваги: вони мають автоматизовані механізми оптимізації поглинання світла; може самостійно ремонтуватися; і, що важливо, може розмножуватися, додає вона. «Вам не потрібно турбуватися про будівництво фабрики для виробництва кожної окремої клітини. Ці клітини використовують вуглекислий газ, який вони поглинають, щоб автоматично відновлюватися та виробляти більше. Вони покладаються на матеріали, багаті на землю, і вони дешеві. Це мрія матеріалознавства».
області застосування
Робота, про яку детально в Природа нанотехнології, висвітлює програми, які зосереджені на зборі світла, а також на флуоресцентних зображеннях. «Наприклад, візуалізація дозволяє нам не тільки відстежувати клітини за поколіннями, ми також можемо використовувати цю технологію, щоб розрізняти живі та неживі клітини та різні типи клітин». Богосян каже.
Графенові «барабани» сприймають коливання окремих бактерій
Дослідники навіть могли відстежувати формування різних частин бактеріальних мембран після поділу клітин завдяки світлу, яке випромінюють нанотрубки, і спостерігати за фізико-хімічними змінами всередині клітин. «Особливим у цій програмі є те, що випромінюване світло відрізняється від світла, яке природно випромінюють клітини, тому нам не потрібно турбуватися про сигнали перешкод, які обмежують інші подібні технології», — каже Богосян.
Можливість введення ВНТ у бактерії таким чином також може призвести до нових застосувань у терапії або доставці ДНК, яким раніше перешкоджали через стінки бактеріальних клітин, через які важко проникнути.
Зараз команда EPFL вивчає способи перепрограмування своїх бактеріальних клітин для виробництва електроенергії шляхом модифікації їх ДНК. «Організми, що збирають світло, природно не дуже ефективні у виробництві електроенергії», — пояснює Богосян. «Це тому, що вони були створені природою для виживання, а не фотоелектричні. З нещодавнім розширенням синтетичної біології ми тепер можемо змінити ці клітини, щоб вони були генетично схильні виробляти електроенергію».
