东方时讯网“我们将纳米管放入细菌内部，”EPFL基础科学学院的ArdemisBoghossian教授说。“从表面上看，这听起来并不令人兴奋，但它实际上是一件大事。研究人员一直在将纳米管放入哺乳动物细胞中，这些细胞使用内吞作用等机制，这些机制是这类细胞特有的。另一方面，细菌不会“没有这些机制，并且在让粒子通过其坚硬的外部时面临额外的挑战。尽管有这些障碍，我们还是设法做到了，这在应用方面具有非常令人兴奋的意义。”
Boghossian的研究重点是将人工纳米材料与生物结构(包括活细胞)连接起来。由此产生的“纳米仿生”技术结合了生物世界和非生物世界的优势。多年来，她的团队一直致力于单壁碳纳米管(SWCNT)的纳米材料应用，这种碳原子管具有迷人的机械和光学特性。
这些特性使SWCNTs成为纳米生物技术领域许多新应用的理想选择。例如，已将SWCNTs放置在哺乳动物细胞内，以使用近红外成像监测它们的新陈代谢。单壁碳纳米管在哺乳动物细胞中的插入也导致了将治疗药物输送到其细胞内靶点的新技术，而在植物细胞中，它们已被用于基因组编辑。单壁碳纳米管也已被植入活体小鼠体内，以证明它们能够对体内深处的生物组织进行成像。
细菌中的荧光纳米管：第一次
在NatureNanotechnology上发表的一篇文章中，Boghossian的小组与他们的国际同事能够通过用被细菌外膜的负电荷吸引的带正电荷的蛋白质“装饰”它们来“说服”细菌自发吸收SWCNT。研究中探索的两种细菌，集胞藻属和念珠菌属，属于蓝藻门，这是一个巨大的细菌群，它们通过光合作用获得能量，就像植物一样。它们也是“革兰氏阴性”，这意味着它们的细胞壁很薄，并且它们具有“革兰氏阳性”细菌所缺乏的额外外膜。
研究人员观察到，蓝藻通过一种被动的、长度依赖的和选择性的过程将SWCNT内化。这个过程允许SWCNTs自发地穿透单细胞集胞藻和长的蛇状多细胞念珠菌的细胞壁。
在这一成功之后，该团队想看看纳米管是否可以用来对蓝细菌进行成像——就像哺乳动物细胞一样。“我们建立了首创的定制装置，使我们能够对从细菌内部的纳米管中获得的特殊近红外荧光进行成像，”Boghossian说。
AlessandraAntonucci，前博士。Boghossian实验室的学生补充说：“当纳米管在细菌内部时，你可以非常清楚地看到它们，即使细菌会发出自己的光。这是因为纳米管的波长远在红色，即近红外。您可以从纳米管中获得非常清晰和稳定的信号，这是任何其他纳米颗粒传感器都无法获得的。我们很兴奋，因为我们现在可以使用纳米管来查看难以成像的细胞内部发生的情况更传统的粒子或蛋白质。纳米管发出的光是天然生物材料所不能发出的，而不是在这些波长下，这使得纳米管在这些细胞中真正脱颖而出。
'继承纳米仿生学'
科学家们能够通过实时监测细菌来跟踪细胞的生长和分裂。他们的发现表明，分裂微生物的子细胞共享SWCNT。“当细菌分裂时，子细胞与纳米管的特性一起固有纳米管，”Boghossian说。
“我们称之为‘继承纳米仿生学’。就像有一个假肢，它赋予你的能力超出你自然所能达到的能力现在想象你的孩子出生时可以从你那里继承它的特性我们不仅将这种人工行为传授给细菌，而且这种行为是也由他们的后代继承。这是我们第一次展示继承的纳米仿生学。”
生活光伏
“另一个有趣的方面是，当我们将纳米管放入细菌体内时，细菌在光照下产生的电能显着增强，”Boghossian小组的博士后MelaniaReggente说。“我们的实验室现在正致力于在活光伏中使用这些纳米仿生细菌的想法。”
“活”光伏是使用光合微生物的生物能源生产设备。尽管仍处于开发的早期阶段，但这些设备代表了对我们持续的能源危机和应对气候变化的努力的真正解决方案。
“光伏社区有一个肮脏的秘密，”Boghossian说。“它是绿色能源，但碳足迹确实很高;释放大量CO2只是为了制造大多数标准光伏产品。但光合作用的好处不仅在于它利用太阳能，而且它还具有负碳足迹.它不是释放CO2，而是吸收它。因此它同时解决了两个问题：太阳能转换和CO2封存。这些太阳能电池是有生命的。你不需要工厂来建造每个单独的细菌细胞;这些细菌是自我复制。它们会自动吸收CO2生产更多的自己。这是材料科学家的梦想。”
Boghossian设想了一种基于蓝藻的活光伏设备，该设备可以自动控制不依赖添加外来颗粒的电力生产。“在实施方面，现在的瓶颈是将纳米管大规模放入蓝藻体内的成本和环境影响。”
着眼于大规模实施，Boghossian和她的团队正在寻找合成生物学的答案：“我们的实验室现在正致力于生物工程蓝藻，可以在不需要纳米颗粒添加剂的情况下发电。合成生物学的进步使我们能够重新编程这些细胞以完全人工的方式运行。我们可以对它们进行改造，使它们的DNA中真正产生电能。”