Bioniske svampe smelter sammen nanoteknologi, bakterier og svampe

I deres seneste ingeniørpræstation, forskere ved Stevens Institute of Technology har taget en almindelig hvid knapsvamp fra en købmand og gjort den bionisk, overlader det med 3-D-printede klynger af cyanobakterier, der genererer elektricitet og hvirvler af grafen nanobånd, der kan opsamle strømmen.

Arbejdet, rapporteret i 7. november-udgaven af Nano bogstaver , kan lyde som noget lige ud af Alice i Eventyrland, men hybriderne er en del af en bredere indsats for bedre at forbedre vores forståelse af cellers biologiske maskineri og hvordan man bruger disse indviklede molekylære gear og håndtag til at fremstille nye teknologier og nyttige systemer til forsvar, sundhedsvæsenet og miljøet.

"I dette tilfælde, vores system - denne bioniske svamp - producerer elektricitet, " sagde Manu Mannoor, en assisterende professor i maskinteknik ved Stevens. "Ved at integrere cyanobakterier, der kan producere elektricitet, med materialer i nanoskala, der er i stand til at opsamle strømmen, vi var i stand til bedre at få adgang til begges unikke egenskaber, forstærke dem, og skabe et helt nyt funktionelt bionisk system."

Cyanobakteriers evne til at producere elektricitet er velkendt i bioingeniørkredse. Imidlertid, forskere har været begrænset til at bruge disse mikrober i biomanipulerede systemer, fordi cyanobakterier ikke overlever længe på kunstige biokompatible overflader. Mannoor og Sudeep Joshi, en postdoc i sit laboratorium, spekulerede på, om hvide knapsvampe, som naturligt er vært for en rig mikrobiota, men ikke specifikt for cyanobakterier, kunne give det rigtige miljø – næringsstoffer, fugtighed, pH og temperatur - for at cyanobakterierne kan producere elektricitet i en længere periode.

Mannoor og Joshi viste, at cyanobakteriecellerne holdt flere dage længere, når de blev anbragt på hætten af ​​en hvid knapsvamp i forhold til en silikone og død svamp som passende kontroller. "Svampene tjener i det væsentlige som et passende miljøsubstrat med avanceret funktionalitet til at nære de energiproducerende cyanobakterier, " siger Joshi. "Vi viste for første gang, at et hybridsystem kan inkorporere et kunstigt samarbejde, eller manipuleret symbiose, mellem to forskellige mikrobiologiske riger."

Mannoor og Joshi brugte en robotarm-baseret 3-D-printer til først at udskrive en "elektronisk blæk" indeholdende grafen nanobåndene. Dette trykte forgrenede netværk fungerer som et elektricitetsopsamlende netværk oven på svampens hætte ved at fungere som en nano-sonde - for at få adgang til bioelektroner genereret inde i cyanobakteriecellerne. Forestil dig, at nåle stikker ind i en enkelt celle for at få adgang til elektriske signaler inde i den, forklarer Mannoor.

Næste, de trykte en "bio-blæk" indeholdende cyanobakterier på svampens hætte i et spiralmønster, der krydser det elektroniske blæk ved flere kontaktpunkter. På disse steder, elektroner kunne overføres gennem de ydre membraner af cyanobakterierne til det ledende netværk af grafen nanobånd. At skinne et lys på svampene aktiverede cyanobakteriel fotosyntese, genererer en fotostrøm.

Ud over at cyanobakterierne lever længere i en tilstand af manipuleret symbiose, Mannoor og Joshi viste, at mængden af ​​elektricitet, som disse bakterier producerer, kan variere afhængigt af densiteten og justeringen, som de er pakket med, sådan, at jo tættere de er pakket sammen, jo mere strøm producerer de. Med 3D-print, det var muligt at samle dem for at øge deres el-producerende aktivitet otte gange mere end de støbte cyanobakterier ved hjælp af en laboratoriepipette.

For nylig, nogle få forskere har 3-D printede bakterieceller i forskellige rumlige geometriske mønstre, men Mannoor og Joshi, samt medforfatter Ellexis Cook, er ikke kun de første til at mønstre det for at øge deres elektricitetsgenererende adfærd, men også integrere det for at udvikle en funktionel bionisk arkitektur.

"Med dette arbejde, vi kan forestille os enorme muligheder for næste generation af bio-hybrid applikationer, " siger Mannoor. "F.eks. nogle bakterier kan gløde, mens andre fornemmer toksiner eller producerer brændstof. Ved sømløst at integrere disse mikrober med nanomaterialer, vi kunne potentielt realisere mange andre fantastiske designer bio-hybrider til miljøet, forsvar, sundhedspleje og mange andre områder."