Nanorør oplyser vejen til levende solceller

"Vi sætter nanorør inde i bakterier," siger professor Ardemis Boghossian ved EPFL's School of Basic Sciences. "Det lyder ikke særlig spændende på overfladen, men det er faktisk en stor sag. Forskere har sat nanorør i pattedyrsceller, der bruger mekanismer som endocytose, der er specifikke for den slags celler. Bakterier på den anden side donerer 'ikke har disse mekanismer og står over for yderligere udfordringer med at få partikler gennem deres hårde ydre. På trods af disse barrierer har vi formået at gøre det, og det har meget spændende implikationer i forhold til anvendelser."

Boghossians forskning fokuserer på at forbinde kunstige nanomaterialer med biologiske konstruktioner, herunder levende celler. De resulterende "nanobioniske" teknologier kombinerer fordelene ved både den levende og den ikke-levende verden. I årevis har hendes gruppe arbejdet på nanomaterialeanvendelser af enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er), rør af kulstofatomer med fascinerende mekaniske og optiske egenskaber.

Disse egenskaber gør SWCNT'er ideelle til mange nye applikationer inden for nanobioteknologi. For eksempel er SWCNT'er blevet placeret inde i pattedyrsceller for at overvåge deres metabolisme ved hjælp af nær-infrarød billeddannelse. Indsættelsen af ​​SWCNT'er i pattedyrsceller har også ført til nye teknologier til levering af terapeutiske lægemidler til deres intracellulære mål, mens de i planteceller er blevet brugt til genomredigering. SWCNT'er er også blevet implanteret i levende mus for at demonstrere deres evne til at afbilde biologisk væv dybt inde i kroppen.

Fluorescerende nanorør i bakterier:En første

I en artikel publiceret i Nature Nanotechnology , var Boghossians gruppe med deres internationale kolleger i stand til at "overbevise" bakterier til spontant at optage SWCNT'er ved at "dekorere" dem med positivt ladede proteiner, der tiltrækkes af den negative ladning af bakteriernes ydre membran. De to typer bakterier, der blev udforsket i undersøgelsen, Synechocystis og Nostoc, tilhører Cyanobacteria-fylumet, en enorm gruppe af bakterier, der får deres energi gennem fotosyntese - som planter. De er også "Gram-negative", hvilket betyder, at deres cellevæg er tynd, og de har en ekstra ydre membran, som "Gram-positive" bakterier mangler.

Forskerne observerede, at cyanobakterierne internaliserede SWCNT'er gennem en passiv, længdeafhængig og selektiv proces. Denne proces gjorde det muligt for SWCNT'erne spontant at trænge ind i cellevæggene i både den encellede Synechocystis og den lange, slangelignende, flercellede Nostoc.

Efter denne succes ønskede holdet at se, om nanorørene kan bruges til at afbilde cyanobakterier - som det er tilfældet med pattedyrsceller. "Vi byggede en første af sin slags brugerdefinerede opsætning, der gjorde det muligt for os at afbilde den særlige nær-infrarøde fluorescens, vi får fra vores nanorør inde i bakterierne," siger Boghossian.

Alessandra Antonucci, en tidligere ph.d. studerende ved Boghossians laboratorium tilføjer:"Når nanorørene er inde i bakterierne, kunne man meget tydeligt se dem, selvom bakterierne udsender deres eget lys. Dette skyldes, at bølgelængderne af nanorørene er langt i det røde, det nær-infrarøde. Du får et meget klart og stabilt signal fra nanorørene, som du ikke kan få fra nogen anden nanopartikelsensor. Vi er begejstrede, fordi vi nu kan bruge nanorørene til at se, hvad der foregår inde i celler, som har været svære at afbilde vha. mere traditionelle partikler eller proteiner. Nanorørene afgiver et lys, som intet naturligt levende materiale afgiver, ikke ved disse bølgelængder, og det gør, at nanorørene virkelig skiller sig ud i disse celler."

'Arvet nanobionics'

Forskerne var i stand til at spore cellernes vækst og deling ved at overvåge bakterierne i realtid. Deres resultater afslørede, at SWCNT'erne blev delt af dattercellerne i den delende mikrobe. "Når bakterierne deler sig, er dattercellerne iboende i nanorørene sammen med egenskaberne af nanorørene," siger Boghossian.

"Vi kalder dette 'nedarvet nanobionics'. Det er som at have et kunstigt lem, der giver dig evner ud over, hvad du kan opnå naturligt. Og forestil dig nu, at dine børn kan arve dets egenskaber fra dig, når de bliver født. Ikke alene har vi givet bakterierne denne kunstige adfærd, men denne adfærd er også arvet af deres efterkommere. Det er vores første demonstration af nedarvede nanobionics."

Levende solcelleanlæg

"Et andet interessant aspekt er, når vi sætter nanorørene inde i bakterierne, bakterierne viser en betydelig forbedring af den elektricitet, de producerer, når den er oplyst af lys," siger Melania Reggente, postdoc med Boghossians gruppe. "Og vores laboratorium arbejder nu hen imod ideen om at bruge disse nanobioniske bakterier i en levende solcelle."

"Levende" solcelleanlæg er biologiske energiproducerende enheder, der bruger fotosyntetiske mikroorganismer. Selvom de stadig er i de tidlige udviklingsstadier, repræsenterer disse enheder en reel løsning på vores igangværende energikrise og indsats mod klimaændringer.

"Der er en beskidt hemmelighed i solcellesamfundet," siger Boghossian. "Det er grøn energi, men CO2-fodaftrykket er virkelig højt; meget CO₂ udgives bare for at lave de fleste standard solceller. Men det gode ved fotosyntese er, at den ikke kun udnytter solenergi, men den har også et negativt kulstofaftryk. I stedet for at frigive CO₂ , det absorberer det. Så det løser to problemer på én gang:solenergikonvertering og CO₂ sekvestrering. Og disse solceller er i live. Du behøver ikke en fabrik for at bygge hver enkelt bakteriecelle; disse bakterier er selvreplikerende. De optager automatisk CO₂ at producere mere af sig selv. Dette er en materialeforskers drøm."

Boghossian forestiller sig en levende fotovoltaisk enhed baseret på cyanobakterier, der har automatiseret kontrol over elproduktionen, der ikke er afhængig af tilsætning af fremmede partikler. "Med hensyn til implementering er flaskehalsen nu omkostningerne og miljøeffekterne ved at placere nanorør i cyanobakterier i stor skala."

Med et øje mod implementering i stor skala, søger Boghossian og hendes team til syntetisk biologi for at få svar:"Vores laboratorium arbejder nu hen imod bioteknologisk cyanobakterier, der kan producere elektricitet uden behov for tilsætningsstoffer til nanopartikler. Fremskridt inden for syntetisk biologi giver os mulighed for at omprogrammere disse celler til at opføre sig på en fuldstændig kunstig måde. Vi kan konstruere dem, så produktion af elektricitet bogstaveligt talt er i deres DNA." + Udforsk yderligere

Styret evolution bygger nanopartikler