Новые бониковые грибы объединяют цианобактерии и графеновые нанороботы для производства электричества

Исследовательская группа из Технологического института Стивенса взяла обычный белый гриб, доступный в продуктовом магазине, и превратила его в функциональную бионическую систему, нагнетая его с завихрениями нанокристаллов графена и трехмерными печатными группами из упакованных цианобактерий произвести электричество .

Плотно упакованные цианобактерии (зеленые), полученные посредством 3D-печати, повышают электрическое поведение. (Image credit: Sudeep Joshi, Stevens Institute of Technology)

Цианобактерии вырабатывают электричество, в то время как завихрения графеновых наноуглеродов собирают этот ток. Сообщается в Nano Letters исследование может звучать так, как если бы оно было взято непосредственно из популярного романа «Алиса в стране чудес»; однако биогибриды являются частью более широких усилий, чтобы лучше понять механизм клеточной биологии и как применять эти сложные молекулярные рычаги и механизмы для разработки полезных систем и новых технологий для здравоохранения, защиты и окружающей среды.

В этом случае наша система – этот бионический гриб – производит электричество. Интегрируя цианобактерии, которые могут вырабатывать электричество, с наноразмерными материалами, способными собирать ток, мы смогли лучше получить уникальные свойства обоих, увеличить их и создать совершенно новую функциональную бионическую систему .

Ману Манноур, доцент кафедры машиностроения, Технологический институт Стивенса.

В области биоинженерии хорошо известно, что способность цианобактерий вырабатывать электричество хорошо известна, но ученые столкнулись с ограничениями, связанными с применением этих микроорганизмов в биоинженерных системах. Это связано с тем, что цианобактерии не могут долгое время выживать на синтетических биосовместимых поверхностях. Манноур вместе с Судипом Джоши, докторантом в своей лаборатории, предположил, что, поскольку обычно доступные белые грибы-грибы, естественно, содержат богатую микробиоту, а не цианобактерии, они могут предлагать идеальную температуру окружающей среды, питательные вещества, рН и влагу, а также цианобактерий для выработки электроэнергии в течение длительного периода времени.

Дуэт продемонстрировал, что, когда цианобактериальные клетки были помещены на кепку белой кнопочной грибы против силикона и мертвого гриба в качестве соответствующего контроля, клетки выжили на несколько дней дольше.

Грибы, по существу, служат в качестве подходящего субстрата для окружающей среды с расширенными функциональными возможностями для питания энергетических цианобактерий. Мы впервые показали, что гибридная система может включать искусственное сотрудничество или искусственный симбиоз между двумя различными микробиологическими царствами .

Sudeep Joshi, постдокторант, Технологический институт Стивенса.

Используя роботизированный 3D-принтер на основе рук, Джоши и Манноур впервые напечатали «электронные чернила», в которых содержались графеновые наноуглероды. Манноор объяснил, что эта уникально напечатанная разветвленная сеть действует как сеть сбора электроэнергии на вершине белого гриба кнопки, ведя себя подобно нанозонду, чтобы получить доступ к биоэлектронам, произведенным в цианобактериальных клетках. Это похоже на иглы, вставляемые в одну ячейку для доступа к содержащимся в ней электрическим сигналам.

Затем команда напечатала «био-чернила», которая содержит цианобактерии на крышке гриба по спирали, которая пересекается с электронными чернилами в различных точках контакта. Электроны в этих местах могут переноситься через внешние мембраны цианобактерий в проводящую сеть графеновых нанотрубок. Когда свет загорелся на грибах, он вызвал цианобактериальный фотосинтез, создающий фототок.

Кроме того, что цианобактерии, выжившие дольше в состоянии сконструированного симбиоза, Джоши и Маннор продемонстрировали, что количество электроэнергии, выделяемой этими микробами, может отличаться в зависимости от плотности и плотности, с которой они плотно упакованы, – тем ближе они упаковываются вместе , тем больше электроэнергии они будут генерировать. Через трехмерную печать цианобактерии могут быть собраны для увеличения их электрогенерирующей активности в восемь раз больше, чем литые цианобактерии с использованием лабораторной пипетки.

В недавнем прошлом несколько исследователей уже имели трехмерные печатные бактериальные клетки в различных пространственных геометрических узорах; однако, Mannoor, Joshi, а также соавтор Ellexis Cook – это не только первая команда, которая могла бы уловить ее, чтобы повысить электрическое поведение бактериальных клеток, но также первыми интегрировать ее для создания функциональной бионической архитектуры.

С помощью этой работы мы можем представить огромные возможности для биогибридных приложений следующего поколения. Например, некоторые бактерии могут светиться, а другие – токсины или вырабатывают топливо. Благодаря плавной интеграции этих микробов с наноматериалами мы могли бы реализовать многие другие удивительные дизайнерские биогибриды для окружающей среды, обороны, здравоохранения и многих других областей .

Ману Манноур, доцент кафедры машиностроения, Технологический институт Стивенса.

Source link