"We stoppen nanobuisjes in bacteriën", zegt professor Ardemis Boghossian van EPFL's School of Basic Sciences. "Dat klinkt aan de oppervlakte niet erg opwindend, maar het is eigenlijk een groot probleem. Onderzoekers hebben nanobuisjes in zoogdiercellen geplaatst die gebruikmaken van mechanismen zoals endocytose, die specifiek zijn voor dat soort cellen. Bacteriën daarentegen hebben deze mechanismen niet en staan ​​voor extra uitdagingen om deeltjes door hun harde buitenkant te krijgen. Ondanks deze barrières zijn we erin geslaagd om het te doen, en dit heeft zeer opwindende implicaties op het gebied van toepassingen."

Het onderzoek van Boghossian richt zich op de koppeling van kunstmatige nanomaterialen met biologische constructies, waaronder levende cellen. De resulterende "nanobionische" technologieën combineren de voordelen van zowel de levende als de niet-levende wereld. Haar groep werkt al jaren aan de nanomateriaaltoepassingen van enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's), buizen van koolstofatomen met fascinerende mechanische en optische eigenschappen.

Deze eigenschappen maken SWCNT's ideaal voor veel nieuwe toepassingen op het gebied van nanobiotechnologie. SWCNT's zijn bijvoorbeeld in zoogdiercellen geplaatst om hun metabolisme te volgen met behulp van nabij-infraroodbeeldvorming. Het inbrengen van SWCNT's in zoogdiercellen heeft ook geleid tot nieuwe technologieën voor het afleveren van therapeutische geneesmiddelen aan hun intracellulaire doelen, terwijl ze in plantencellen zijn gebruikt voor genoombewerking. SWCNT's zijn ook geïmplanteerd in levende muizen om hun vermogen aan te tonen om biologisch weefsel diep in het lichaam af te beelden.

Fluorescerende nanobuisjes in bacteriën:een primeur

In een artikel gepubliceerd in Nature Nanotechnology , waren de Boghossian-groep met hun internationale collega's in staat om bacteriën te "overtuigen" om spontaan SWCNT's op te nemen door ze te "versieren" met positief geladen eiwitten die worden aangetrokken door de negatieve lading van het buitenmembraan van de bacterie. De twee soorten bacteriën die in het onderzoek zijn onderzocht, Synechocystis en Nostoc, behoren tot de Cyanobacteria-phylum, een enorme groep bacteriën die hun energie krijgen via fotosynthese-achtige planten. Ze zijn ook "Gram-negatief", wat betekent dat hun celwand dun is, en ze hebben een extra buitenmembraan dat "Gram-positieve" bacteriën missen.

De onderzoekers merkten op dat de cyanobacteriën SWCNT's internaliseerden via een passief, lengteafhankelijk en selectief proces. Door dit proces konden de SWCNT's spontaan de celwanden van zowel de eencellige Synechocystis als de lange, slangachtige, meercellige Nostoc binnendringen.

Na dit succes wilde het team kijken of de nanobuisjes kunnen worden gebruikt om cyanobacteriën in beeld te brengen, zoals het geval is met zoogdiercellen. "We hebben een unieke, aangepaste opstelling gebouwd waarmee we de speciale nabij-infraroodfluorescentie die we krijgen van onze nanobuisjes in de bacteriën in beeld konden brengen", zegt Boghossian.

Alessandra Antonucci, een voormalig Ph.D. student van Boghossian's lab voegt toe:"Als de nanobuisjes zich in de bacteriën bevinden, kun je ze heel duidelijk zien, ook al zenden de bacteriën hun eigen licht uit. Dit komt omdat de golflengten van de nanobuisjes ver in het rood liggen, het nabij-infrarood. Je krijgt een heel duidelijk en stabiel signaal van de nanobuisjes dat je niet kunt krijgen van een andere nanodeeltjessensor. We zijn enthousiast omdat we nu de nanobuisjes kunnen gebruiken om te zien wat er gebeurt in cellen die moeilijk in beeld te brengen waren met meer traditionele deeltjes of eiwitten. De nanobuisjes geven een licht af dat geen enkel natuurlijk levend materiaal afgeeft, niet op deze golflengten, en dat maakt de nanobuisjes echt opvallen in deze cellen."

'Geërfde nanobionics'

De wetenschappers konden de groei en deling van de cellen volgen door de bacteriën in realtime te volgen. Hun bevindingen onthulden dat de SWCNT's werden gedeeld door de dochtercellen van de delende microbe. "Wanneer de bacteriën zich delen, inherent aan de dochtercellen de nanobuisjes samen met de eigenschappen van de nanobuisjes", zegt Boghossian.

"We noemen dit 'erfelijke nanobionics'. Het is alsof je een kunstledemaat hebt die je mogelijkheden geeft die verder gaan dan wat je op natuurlijke wijze kunt bereiken. En stel je nu voor dat je kinderen de eigenschappen ervan van je kunnen erven wanneer ze worden geboren. Niet alleen hebben we de bacteriën dit kunstmatige gedrag gegeven, maar dit gedrag is ook geërfd door hun nakomelingen. Het is onze eerste demonstratie van geërfde nanobionics."

Levende fotovoltaïsche energie

"Een ander interessant aspect is dat wanneer we de nanobuisjes in de bacteriën plaatsen, de bacteriën een significante verbetering vertonen in de elektriciteit die ze produceren wanneer ze worden verlicht door licht", zegt Melania Reggente, een postdoc bij Boghossian's groep. "En ons lab werkt nu toe naar het idee om deze nanobionische bacteriën te gebruiken in een levende fotovoltaïsche installatie."

"Levende" fotovoltaïsche cellen zijn apparaten die biologische energie produceren en gebruikmaken van fotosynthetische micro-organismen. Hoewel ze zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevinden, vormen deze apparaten een echte oplossing voor onze aanhoudende energiecrisis en inspanningen tegen klimaatverandering.

"Er is een vies geheim in de fotovoltaïsche gemeenschap", zegt Boghossian. "Het is groene energie, maar de ecologische voetafdruk is erg hoog; veel CO₂ wordt vrijgegeven om de meeste standaard fotovoltaïsche cellen te maken. Maar het mooie van fotosynthese is dat het niet alleen zonne-energie benut, maar ook een negatieve ecologische voetafdruk heeft. In plaats van CO₂ vrij te geven , het absorbeert het. Het lost dus twee problemen tegelijk op:conversie van zonne-energie en CO₂ beslaglegging. En deze zonnecellen leven. Je hebt geen fabriek nodig om elke individuele bacteriecel te bouwen; deze bacteriën repliceren zichzelf. Ze nemen automatisch CO₂ . in beslag meer van zichzelf te produceren. Dit is de droom van een materiaalwetenschapper."

Boghossian stelt zich een levend fotovoltaïsch apparaat voor op basis van cyanobacteriën dat geautomatiseerde controle heeft over de elektriciteitsproductie die niet afhankelijk is van de toevoeging van vreemde deeltjes. "Wat de implementatie betreft, zijn het knelpunt nu de kosten en de milieueffecten van het op grote schaal plaatsen van nanobuisjes in cyanobacteriën."

Met het oog op grootschalige implementatie kijken Boghossian en haar team naar synthetische biologie voor antwoorden:"Ons laboratorium werkt nu aan bio-engineering van cyanobacteriën die elektriciteit kunnen produceren zonder de noodzaak van additieven voor nanodeeltjes. Dankzij vooruitgang in de synthetische biologie kunnen we deze herprogrammeren cellen zich op een totaal kunstmatige manier gedragen. We kunnen ze zo manipuleren dat het produceren van elektriciteit letterlijk in hun DNA zit." + Verder verkennen

Gerichte evolutie bouwt nanodeeltjes op