I sin senaste teknikprestation, forskare vid Stevens Institute of Technology har tagit en vanlig vit knappsvamp från en livsmedelsbutik och gjort den bionisk, överladdar den med 3-D-tryckta kluster av cyanobakterier som genererar elektricitet och virvlar av grafen nanoband som kan samla upp strömmen.

Arbetet, rapporterade i numret 7 november av Nanobokstäver , kan låta som något direkt ur Alice i Underlandet, men hybriderna är en del av en bredare ansträngning för att bättre förbättra vår förståelse av cellers biologiska maskineri och hur man använder dessa invecklade molekylära kugghjul och spakar för att tillverka ny teknik och användbara system för försvar, sjukvård och miljö.

"I detta fall, vårt system – den här bioniska svampen – producerar elektricitet, " sa Manu Mannoor, en biträdande professor i maskinteknik vid Stevens. "Genom att integrera cyanobakterier som kan producera elektricitet, med material i nanoskala som kan samla ström, vi kunde bättre komma åt bådas unika egenskaper, utöka dem, och skapa ett helt nytt funktionellt bioniskt system."

Cyanobakteriers förmåga att producera el är välkänd i bioteknikkretsar. Dock, forskare har varit begränsade i att använda dessa mikrober i biotekniska system eftersom cyanobakterier inte överlever länge på konstgjorda biokompatibla ytor. Mannoor och Sudeep Joshi, en postdoktor i sitt labb, undrade om vita knappsvampar, som naturligt är värd för en rik mikrobiota men inte specifikt för cyanobakterier, kan ge rätt miljö – näringsämnen, fukt, pH och temperatur – för att cyanobakterierna ska producera elektricitet under en längre period.

Mannoor och Joshi visade att cyanobakteriella celler höll flera dagar längre när de placerades på locket av en vit knappsvamp jämfört med en silikon och död svamp som lämpliga kontroller. "Svamparna fungerar i huvudsak som ett lämpligt miljösubstrat med avancerad funktionalitet för att ge näring till de energiproducerande cyanobakterierna, " säger Joshi. "Vi visade för första gången att ett hybridsystem kan inkludera ett konstgjort samarbete, eller konstruerad symbios, mellan två olika mikrobiologiska riken."

Mannoor och Joshi använde en robotarmbaserad 3-D-skrivare för att först skriva ut ett "elektroniskt bläck" som innehöll grafennanorbanden. Detta tryckta grenade nätverk fungerar som ett eluppsamlande nätverk ovanpå svampens lock genom att agera som en nano-sond - för att komma åt bioelektroner som genereras inuti cyanobakteriella celler. Föreställ dig att nålar sticker in i en enda cell för att komma åt elektriska signaler inuti den, förklarar Mannoor.

Nästa, de tryckte ett "bio-bläck" innehållande cyanobakterier på svampens lock i ett spiralmönster som korsar det elektroniska bläcket vid flera kontaktpunkter. På dessa platser, elektroner kan överföras genom cyanobakteriernas yttre membran till det ledande nätverket av grafennanorband. Att skina ett ljus på svampen aktiverade cyanobakteriell fotosyntes, genererar en fotoström.

Förutom att cyanobakterierna lever längre i ett tillstånd av konstruerad symbios, Mannoor och Joshi visade att mängden elektricitet som dessa bakterier producerar kan variera beroende på densiteten och inriktningen med vilken de är packade, så att ju tätare de är packade, ju mer el producerar de. Med 3D-utskrift, det var möjligt att sätta ihop dem för att öka deras elproducerande aktivitet åtta gånger mer än de gjutna cyanobakterierna med hjälp av en laboratoriepipett.

Nyligen, ett fåtal forskare har 3-D-printade bakterieceller i olika rumsliga geometriska mönster, men Mannoor och Joshi, samt medförfattaren Ellexis Cook, är inte bara de första att mönstra det för att förstärka deras elgenererande beteende utan också integrera det för att utveckla en funktionell bionisk arkitektur.

"Med detta arbete, vi kan föreställa oss enorma möjligheter för nästa generations biohybridapplikationer, Mannoor säger. Till exempel, vissa bakterier kan lysa, medan andra känner av gifter eller producerar bränsle. Genom att sömlöst integrera dessa mikrober med nanomaterial, vi skulle potentiellt kunna realisera många andra fantastiska designerbiohybrider för miljön, försvar, sjukvård och många andra områden."