В своем последнем инженерном подвиге исследователи из Технологического института Стивенса взяли обычный белый шампиньон из продуктового магазина и сделали его бионическим, наполнив его напечатанными на 3D-принтере кластерами цианобактерий, которые генерируют электричество и вихри графена. наноленты, способные собирать ток.
Работа, о которой сообщалось в выпуске Nano Letters от 7 ноября, может звучать как что-то прямо из «Алисы в стране чудес», но гибриды являются частью более широких усилий, направленных на лучшее понимание клеточного биологического механизма и того, как использовать эти сложные молекулярные механизмы и рычаги для создания новых технологий и полезных систем для обороны, здравоохранения и защиты окружающей среды.
«В данном случае наша система - этот бионический гриб - производит электричество», - сказал Ману Маннур, доцент кафедры машиностроения Стивенса. «Объединив цианобактерии, способные производить электричество, с наноразмерными материалами, способными собирать ток, мы смогли получить доступ к уникальным свойствам обоих, усилить их и создать совершенно новую функциональную бионическую систему».
Способность цианобактерий производить электричество хорошо известна в биоинженерных кругах. Однако исследователи были ограничены в использовании этих микробов в биоинженерных системах, потому что цианобактерии не выживают долго на искусственных биосовместимых поверхностях. Маннур и Судип Джоши, научный сотрудник его лаборатории, задались вопросом, могут ли белые шампиньоны, в которых естественным образом обитает богатая микробиота, но не конкретно цианобактерии, обеспечить подходящую среду - питательные вещества, влажность, pH и температуру - для того, чтобы цианобактерии могли производить электричество для своей жизнедеятельности. более длительный период.
Маннур и Джоши показали, что клетки цианобактерий сохранялись на несколько дней дольше, если их поместить на шляпку белого шампиньона, по сравнению с силиконом и мертвым грибом в качестве подходящего контроля. «Грибы, по сути, служат подходящим субстратом для окружающей среды с расширенными функциями питания цианобактерий, вырабатывающих энергию», - говорит Джоши. «Мы впервые показали, что гибридная система может включать искусственное сотрудничество или инженерный симбиоз между двумя разными микробиологическими царствами».
Маннур и Джоши использовали 3D-принтер на основе роботизированной руки, чтобы сначала напечатать «электронные чернила», содержащие графеновые наноленты. Эта печатная разветвленная сеть служит сетью сбора электричества на шляпке гриба, действуя как нанозонд - для доступа к биоэлектронам, генерируемым внутри клеток цианобактерий. Представьте себе иглы, вонзающиеся в одну клетку, чтобы получить доступ к электрическим сигналам внутри нее, объясняет Маннур.
Затем они напечатали «био-чернила», содержащие цианобактерии, на шляпке гриба в виде спирали, пересекающейся с электронными чернилами в нескольких точках контакта. В этих местах электроны могли передаваться через внешние мембраны цианобактерий в проводящую сеть графеновых нанолент. Освещение грибов активировало фотосинтез цианобактерий, генерируя фототок.
В дополнение к тому, что цианобактерии живут дольше в состоянии искусственного симбиоза, Маннур и Джоши показали, что количество электричества, которое производят эти бактерии, может варьироваться в зависимости от плотности и выравнивания, с которым они упакованы, так что чем плотнее упакованы вместе они, тем больше электроэнергии они производят. С помощью 3D-печати их можно было собрать так, чтобы повысить их активность по производству электроэнергии в восемь раз больше, чем у отлитых цианобактерий с помощью лабораторной пипетки..
Недавно несколько исследователей напечатали на 3D-принтере бактериальные клетки в виде различных пространственных геометрических узоров, но Маннур и Джоши, а также соавтор Эллексис Кук не только первыми напечатали его, чтобы усилить свое поведение, генерирующее электричество. но также интегрировать его для разработки функциональной бионической архитектуры.
«Благодаря этой работе мы можем представить себе огромные возможности для биогибридных приложений следующего поколения», - говорит Маннур. «Например, некоторые бактерии могут светиться, в то время как другие чувствуют токсины или производят топливо. Бесшовно интегрируя эти микробы с наноматериалами, мы потенциально могли бы реализовать множество других удивительных дизайнерских биогибридов для окружающей среды, обороны, здравоохранения и многих других областей».