Vi khuẩn sử dụng các ống nano carbon đơn vách (SCNTs) tiếp tục phân chia như bình thường và thậm chí truyền các khả năng bổ sung thu được cho con cháu của chúng. Kết quả này, gần đây đã được chứng minh bởi các nhà nghiên cứu tại EPFL ở Thụy Sĩ, tạo cơ sở cho một lĩnh vực mới mà họ gọi là “sinh học nano kế thừa”. Các nhà nghiên cứu tin rằng vi khuẩn đã biến đổi có thể được sử dụng để tạo ra quang điện sống – những thiết bị sản xuất năng lượng mà họ cho rằng có thể cung cấp “một giải pháp thực sự cho cuộc khủng hoảng năng lượng đang diễn ra và những nỗ lực chống lại biến đổi khí hậu”.
SWCNTs là những tấm carbon cuộn lại chỉ dày một nguyên tử, với tổng đường kính khoảng 1 nm. Chúng tự hào có các đặc tính điện, quang và cơ tuyệt vời khiến chúng trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ sinh học nano. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã đặt các cấu trúc nano này trong các tế bào động vật có vú để theo dõi quá trình trao đổi chất bằng cách sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại phát ra từ các ống nano. Ánh sáng phát ra cũng có thể được sử dụng để chụp ảnh mô sinh học sâu bên trong cơ thể và giúp đưa thuốc điều trị vào tế bào. Trong tế bào thực vật, SWCNT thậm chí còn được sử dụng để chỉnh sửa bộ gen.
Tiếp nhận SWCNT là thụ động, phụ thuộc vào độ dài và chọn lọc
Trong công trình mới, các nhà nghiên cứu do Ardemis Boghossian bắt đầu bằng cách bọc SWCNT bằng lớp phủ protein tích điện dương. Các cấu trúc nano sau đó có thể tương tác với các màng bên ngoài tích điện âm bao quanh các tế bào vi khuẩn mà họ nghiên cứu, đến từ chi synechocystis và Lỗ mũi. Cái trước là đơn bào và hình cầu trong khi cái sau là đa bào và có hình dạng giống con rắn. Cả hai đều là vi khuẩn Gram âm (được gọi như vậy vì chúng có thành tế bào mỏng cũng như có thêm màng ngoài, nghĩa là chúng không giữ lại thuốc nhuộm được sử dụng trong một xét nghiệm thông thường được gọi là nhuộm Gram) và chúng thuộc nhóm vi khuẩn Gram âm. Vi khuẩn lam ngành. Nhóm vi khuẩn này thu được năng lượng thông qua quá trình quang hợp, giống như thực vật.
Boghossian và cộng sự nhận thấy rằng cả hai synechocystis và Lỗ mũi hấp thụ SWCNTs thông qua một quá trình thụ động, phụ thuộc vào độ dài và chọn lọc, cho phép các hạt nano xâm nhập vào thành tế bào của vi sinh vật một cách tự nhiên. Họ cũng phát hiện ra rằng các ống nano có thể được tạo ảnh rất rõ ràng trong tia hồng ngoại vì chúng phát huỳnh quang trong vùng này của quang phổ điện từ. Thật vậy, sự phát xạ ánh sáng này cho phép các nhà nghiên cứu thấy rằng SWCNTs đang được truyền sang cái gọi là tế bào con của vi khuẩn khi chúng phân chia. Do đó, các tế bào con thừa hưởng các đặc tính đặc biệt của các ống nano.
Giống như chân tay giả
Boghossian giải thích: “Chúng tôi gọi đây là 'sinh học nano kế thừa'. “Giống như có một chi nhân tạo mang lại cho bạn những khả năng vượt xa những gì bạn có thể đạt được một cách tự nhiên. Và bây giờ hãy tưởng tượng rằng con cái của bạn có thể thừa kế tài sản của nó từ bạn khi chúng được sinh ra. Chúng tôi không chỉ truyền cho vi khuẩn hành vi nhân tạo này, mà hành vi này còn được di truyền bởi con cháu của chúng.”
Và đó không phải là tất cả: các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng vi khuẩn chứa ống nano tạo ra một lượng điện lớn hơn đáng kể khi được chiếu sáng bằng ánh sáng so với vi khuẩn không có ống nano. Boghossian nói: “Những 'quang điện sống' như vậy được hưởng lợi từ lượng khí thải carbon âm - chúng tích cực hấp thụ, thay vì giải phóng, carbon dioxide. Thế giới vật lý. “Điều này trái ngược với quang điện thông thường, trong khi tận dụng nguồn năng lượng dồi dào nhất của chúng ta – Mặt trời – tạo ra rất nhiều carbon dioxide trong giai đoạn sản xuất.” Cô ấy nói, đây là “bí mật bẩn thỉu” của quang điện.
Quang điện sống cũng có những ưu điểm quan trọng khác: chúng có cơ chế tự động để tối ưu hóa sự hấp thụ ánh sáng; có thể tự sửa chữa; và quan trọng là có thể sinh sản, cô ấy nói thêm. “Bạn không phải lo lắng về việc xây dựng một nhà máy để sản xuất từng tế bào riêng lẻ. Những tế bào này sử dụng carbon dioxide mà chúng hấp thụ để tự động sửa chữa và tự tạo ra nhiều hơn. Chúng dựa vào các vật liệu dồi dào trên trái đất và chúng rẻ. Đây là một giấc mơ khoa học vật liệu.”
Lĩnh vực ứng dụng
Công việc được trình bày chi tiết trong Công nghệ nano tự nhiên, làm nổi bật các ứng dụng tập trung vào thu ánh sáng cũng như hình ảnh huỳnh quang. “Ví dụ, hình ảnh không chỉ cho phép chúng tôi theo dõi các tế bào qua các thế hệ, chúng tôi còn có thể sử dụng công nghệ này để phân biệt giữa tế bào sống và tế bào không sống cũng như các loại tế bào khác nhau.” Boghossian nói.
Graphene 'trống' nhận rung động từ các vi khuẩn riêng lẻ
Các nhà nghiên cứu thậm chí có thể theo dõi sự hình thành các phần khác nhau của màng vi khuẩn sau quá trình phân chia tế bào nhờ ánh sáng phát ra từ các ống nano và theo dõi những thay đổi hóa lý bên trong tế bào. “Điều đặc biệt về ứng dụng này là ánh sáng phát ra khác với ánh sáng do các tế bào phát ra tự nhiên, vì vậy chúng tôi không phải lo lắng về các tín hiệu gây nhiễu vốn đã hạn chế các công nghệ tương tự khác,” Boghossian nói.
Khả năng đưa CNTs vào vi khuẩn theo cách này cũng có thể dẫn đến các ứng dụng mới trong trị liệu hoặc vận chuyển DNA mà trước đây bị cản trở bởi thành tế bào vi khuẩn khó thâm nhập.
Nhóm EPFL hiện đang nghiên cứu cách lập trình lại các tế bào vi khuẩn của họ để sản xuất điện bằng cách sửa đổi DNA của chúng. Boghossian giải thích: “Các sinh vật thu hoạch ánh sáng tự nhiên không hiệu quả lắm trong việc sản xuất điện. “Điều này là do chúng được tạo ra bởi Thiên nhiên để tồn tại, không phải quang điện. Với sự mở rộng gần đây của sinh học tổng hợp, giờ đây chúng ta có thể tái sử dụng các tế bào này để chúng có xu hướng sản xuất điện về mặt di truyền.”
