"Vi lägger nanorör inuti bakterier", säger professor Ardemis Boghossian vid EPFL:s School of Basic Sciences. "Det låter inte särskilt spännande på ytan, men det är faktiskt en stor sak. Forskare har placerat nanorör i däggdjursceller som använder mekanismer som endocytos, som är specifika för den typen av celler. Bakterier å andra sidan donerar Jag har inte dessa mekanismer och står inför ytterligare utmaningar när det gäller att få partiklar genom deras tuffa exteriör. Trots dessa barriärer har vi lyckats göra det, och detta har mycket spännande implikationer när det gäller tillämpningar."

Boghossians forskning fokuserar på att sammankoppla artificiella nanomaterial med biologiska konstruktioner, inklusive levande celler. De resulterande "nanobioniska" teknologierna kombinerar fördelarna med både den levande och den icke-levande världen. I flera år har hennes grupp arbetat med nanomaterialtillämpningar av enkelväggiga kolnanorör (SWCNT), rör av kolatomer med fascinerande mekaniska och optiska egenskaper.

Dessa egenskaper gör SWCNT idealiska för många nya applikationer inom nanobioteknologi. Till exempel har SWCNT placerats inuti däggdjursceller för att övervaka deras metabolism med hjälp av nära-infraröd avbildning. Införandet av SWCNT i däggdjursceller har också lett till ny teknik för att leverera terapeutiska läkemedel till deras intracellulära mål, medan de i växtceller har använts för genomredigering. SWCNT har också implanterats i levande möss för att visa deras förmåga att avbilda biologisk vävnad djupt inne i kroppen.

Fluorescerande nanorör i bakterier:En första

I en artikel publicerad i Nature Nanotechnology , kunde Boghossians grupp med sina internationella kollegor "övertyga" bakterier att spontant ta upp SWCNT genom att "dekorera" dem med positivt laddade proteiner som attraheras av den negativa laddningen av bakteriernas yttre membran. De två typerna av bakterier som utforskades i studien, Synechocystis och Nostoc, tillhör Cyanobacteria phylum, en enorm grupp av bakterier som får sin energi genom fotosyntes - som växter. De är också "Gram-negativa", vilket betyder att deras cellvägg är tunn, och de har ytterligare ett yttre membran som "Gram-positiva" bakterier saknar.

Forskarna observerade att cyanobakterierna internaliserade SWCNT genom en passiv, längdberoende och selektiv process. Denna process gjorde det möjligt för SWCNTs att spontant penetrera cellväggarna i både den encelliga Synechocystis och den långa, ormliknande, flercelliga Nostoc.

Efter denna framgång ville teamet se om nanorören kan användas för att avbilda cyanobakterier - vilket är fallet med däggdjursceller. "Vi byggde en första i sitt slag anpassad installation som gjorde det möjligt för oss att avbilda den speciella nära-infraröda fluorescens vi får från våra nanorör inuti bakterierna", säger Boghossian.

Alessandra Antonucci, en före detta Ph.D. student vid Boghossians labb tillägger:"När nanorören är inne i bakterierna kunde man mycket tydligt se dem, även om bakterierna sänder ut sitt eget ljus. Detta beror på att våglängderna på nanorören är långt i det röda, det nära infraröda. Du får en mycket tydlig och stabil signal från nanorören som du inte kan få från någon annan nanopartikelsensor. Vi är glada eftersom vi nu kan använda nanorören för att se vad som pågår inuti celler som har varit svåra att avbilda med hjälp av mer traditionella partiklar eller proteiner. Nanorören avger ett ljus som inget naturligt levande material avger, inte vid dessa våglängder, och det gör att nanorören verkligen sticker ut i dessa celler."

'Ärvd nanobionics'

Forskarna kunde spåra tillväxten och delningen av cellerna genom att övervaka bakterierna i realtid. Deras resultat avslöjade att SWCNTs delades av dottercellerna till den delande mikroben. "När bakterierna delar sig, ingår dottercellerna i nanorören tillsammans med egenskaperna hos nanorören", säger Boghossian.

"Vi kallar detta "ärvd nanobionics." Det är som att ha en konstgjord lem som ger dig förmågor utöver vad du kan uppnå naturligt. Och föreställ dig nu att dina barn kan ärva dess egenskaper från dig när de föds. Vi har inte bara gett bakterierna detta konstgjorda beteende, utan detta beteende är också ärvt av deras ättlingar. Det är vår första demonstration av ärvd nanobionik."

Levande solceller

"En annan intressant aspekt är när vi sätter nanorören inuti bakterierna, bakterierna visar en betydande förbättring av den elektricitet de producerar när den är upplyst av ljus", säger Melania Reggente, postdoc med Boghossians grupp. "Och vårt labb arbetar nu mot idén att använda dessa nanobioniska bakterier i en levande solcell."

"Levande" solceller är biologiska energiproducerande enheter som använder fotosyntetiska mikroorganismer. Även om de fortfarande är i de tidiga utvecklingsstadierna, representerar dessa enheter en verklig lösning på vår pågående energikris och insatser mot klimatförändringar.

"Det finns en smutsig hemlighet i solcellssamhället", säger Boghossian. "Det är grön energi, men koldioxidavtrycket är riktigt högt; mycket CO₂ släpps bara för att göra de flesta vanliga solceller. Men det som är bra med fotosyntesen är att den inte bara utnyttjar solenergi, utan den har också ett negativt koldioxidavtryck. Istället för att släppa ut CO₂ , det absorberar det. Så det löser två problem samtidigt:solenergiomvandling och CO₂ kvarstad. Och dessa solceller är vid liv. Du behöver inte en fabrik för att bygga varje enskild bakteriecell; dessa bakterier är självreplikerande. De tar automatiskt upp CO₂ att producera mer av sig själva. Det här är en materialvetares dröm."

Boghossian föreställer sig en levande solcellsapparat baserad på cyanobakterier som har automatiserad kontroll över elproduktionen som inte är beroende av tillsatsen av främmande partiklar. "När det gäller implementering är flaskhalsen nu kostnaden och miljöeffekterna av att placera nanorör inuti cyanobakterier i stor skala."

Med sikte på storskalig implementering, letar Boghossian och hennes team efter syntetisk biologi för svar:"Vårt labb arbetar nu mot bioteknik för cyanobakterier som kan producera elektricitet utan behov av nanopartikeltillsatser. Framsteg inom syntetisk biologi gör att vi kan omprogrammera dessa celler att bete sig på ett helt artificiellt sätt. Vi kan konstruera dem så att produktion av elektricitet bokstavligen finns i deras DNA." + Utforska vidare

Riktad evolution bygger nanopartiklar