In hun laatste staaltje techniek, Onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben een gewone witte champignon uit een supermarkt gehaald en er bionisch van gemaakt, superchargen met 3D-geprinte clusters van cyanobacteriën die elektriciteit opwekken en wervelingen van grafeen nanoribbons die de stroom kunnen opvangen.

Het werk, gerapporteerd in het nummer van 7 november van Nano-letters , klinkt misschien als iets dat rechtstreeks uit Alice in Wonderland komt, maar de hybriden maken deel uit van een bredere inspanning om ons begrip van celbiologische machines beter te verbeteren en hoe we die ingewikkelde moleculaire tandwielen en hefbomen kunnen gebruiken om nieuwe technologieën en bruikbare systemen voor verdediging te fabriceren, gezondheidszorg en het milieu.

"In dit geval, ons systeem - deze bionische paddenstoel - produceert elektriciteit, " zei Manu Mannoor, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan Stevens. "Door cyanobacteriën te integreren die elektriciteit kunnen produceren, met materialen op nanoschaal die de stroom kunnen opvangen, we waren in staat om beter toegang te krijgen tot de unieke eigenschappen van beide, vergroot ze, en creëer een geheel nieuw functioneel bionisch systeem."

Het vermogen van cyanobacteriën om elektriciteit te produceren is algemeen bekend in biotechnische kringen. Echter, onderzoekers zijn beperkt in het gebruik van deze microben in biotechnologische systemen omdat cyanobacteriën niet lang overleven op kunstmatige biocompatibele oppervlakken. Mannoor en Sudeep Joshi, een postdoctoraal onderzoeker in zijn lab, vroeg me af of witte champignons, die van nature een rijke microbiota huisvesten, maar niet specifiek cyanobacteriën, de juiste omgeving zou kunnen bieden:voedingsstoffen, vochtigheid, pH en temperatuur - voor de cyanobacteriën om voor een langere periode elektriciteit te produceren.

Mannoor en Joshi toonden aan dat de cyanobacteriële cellen enkele dagen langer meegingen wanneer ze op de dop van een witte champignon werden geplaatst, vergeleken met een siliconen en dode paddenstoel als geschikte controles. "De paddenstoelen dienen in wezen als een geschikt milieusubstraat met geavanceerde functionaliteit voor het voeden van de energieproducerende cyanobacteriën, ", zegt Joshi. "We hebben voor het eerst laten zien dat een hybride systeem een ​​kunstmatige samenwerking kan incorporeren, of kunstmatige symbiose, tussen twee verschillende microbiologische koninkrijken."

Mannoor en Joshi gebruikten een op een robotarm gebaseerde 3D-printer om eerst een "elektronische inkt" te printen die de grafeen-nanoribbons bevat. Dit geprinte vertakte netwerk dient als een elektriciteitsverzamelnetwerk bovenop de dop van de paddenstoel door als een nano-sonde te werken - om toegang te krijgen tot bio-elektronen die in de cyanobacteriële cellen worden gegenereerd. Stel je voor dat naalden in een enkele cel steken om toegang te krijgen tot elektrische signalen erin, legt Mannoor uit.

Volgende, ze drukten een "bio-inkt" met cyanobacteriën op de dop van de paddenstoel in een spiraalpatroon dat de elektronische inkt op meerdere contactpunten kruist. Op deze locaties is elektronen kunnen door de buitenmembranen van de cyanobacteriën worden overgebracht naar het geleidende netwerk van grafeen-nanoribbons. Een licht schijnen op de paddenstoelen activeerde cyanobacteriële fotosynthese, het genereren van een fotostroom.

Naast de cyanobacteriën die langer in een staat van kunstmatige symbiose leven, Mannoor en Joshi toonden aan dat de hoeveelheid elektriciteit die deze bacteriën produceren kan variëren, afhankelijk van de dichtheid en uitlijning waarmee ze zijn verpakt, zodanig dat hoe dichter ze op elkaar gepakt zijn, hoe meer elektriciteit ze produceren. Met 3D-printen, het was mogelijk om ze te assembleren om hun elektriciteitsproducerende activiteit acht keer meer te vergroten dan de gegoten cyanobacteriën met behulp van een laboratoriumpipet.

Onlangs, een paar onderzoekers hebben 3D-geprinte bacteriecellen in verschillende ruimtelijke geometrische patronen, maar Mannoor en Joshi, evenals co-auteur Ellexis Cook, zijn niet alleen de eersten die het modelleren om hun elektriciteitsopwekkingsgedrag te vergroten, maar het ook integreren om een ​​functionele bionische architectuur te ontwikkelen.

"Met dit werk kunnen we ons enorme kansen voorstellen voor biohybride toepassingen van de volgende generatie, ", zegt Mannoor. "Bijvoorbeeld, sommige bacteriën kunnen gloeien, terwijl anderen gifstoffen voelen of brandstof produceren. Door deze microben naadloos te integreren met nanomaterialen, we zouden mogelijk vele andere geweldige bio-designerhybriden voor het milieu kunnen realiseren, verdediging, gezondheidszorg en vele andere gebieden."