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(Noticias de Nanowerk) «Usamos nanotubos en bacterias», dice el profesor Ardemis Boghossian de la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL. “No suena muy emocionante en la superficie, pero en realidad es un gran problema. Los investigadores han introducido nanotubos de carbono en células de mamíferos mediante mecanismos, como la endocitosis, específicos de este tipo de células.
Las bacterias, por otro lado, carecen de estos mecanismos y enfrentan desafíos adicionales cuando se trata de hacer pasar partículas a través de su exterior duro. A pesar de estos obstáculos, lo logramos y eso tiene implicaciones muy emocionantes para las aplicaciones”.
La investigación de Boghossian se centra en conectar nanomateriales artificiales a construcciones biológicas, incluidas las células vivas. Las tecnologías «nanobiónicas» resultantes combinan las ventajas del mundo animado e inanimado. Su grupo ha estado trabajando durante años en aplicaciones de nanomateriales de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), tubos hechos de átomos de carbono con propiedades mecánicas y ópticas fascinantes.
Estas propiedades hacen que los SWCNT sean ideales para muchas aplicaciones novedosas en el campo de la nanobiotecnología. Por ejemplo, se han introducido SWCNT en células de mamíferos para monitorear su metabolismo utilizando imágenes de infrarrojo cercano. La inserción de SWCNT en células de mamíferos también ha dado lugar a nuevas tecnologías para administrar fármacos terapéuticos a sus objetivos intracelulares mientras se han utilizado en células vegetales para la edición del genoma. Los SWCNT también se implantaron en ratones vivos para demostrar su capacidad para obtener imágenes de tejido biológico en las profundidades del cuerpo.
Nanotubos fluorescentes en bacterias: una primera
En un artículo publicado en nanotecnología de la naturaleza («Absorción de nanotubos de carbono en cianobacterias para imágenes de infrarrojo cercano y generación de bioelectricidad mejorada en energía fotovoltaica viva») El grupo de Boghossian y sus colegas internacionales pudieron «convencer» a las bacterias para que absorbieran SWCNT espontáneamente «decorándolas» con proteínas cargadas positivamente. atraídos por la carga negativa de la membrana bacteriana externa.
Los dos tipos de bacterias examinados en el estudio sinecocistis y Nostoc, pertenecen al phylum Cyanobacteria, un gran grupo de bacterias que obtienen su energía a través de la fotosíntesis, como las plantas. También son «gram negativas», lo que significa que su pared celular es delgada y tienen una membrana externa adicional de la que carecen las bacterias «gram positivas».
Los investigadores observaron que las cianobacterias internalizaron los SWCNT a través de un proceso pasivo, selectivo y dependiente de la longitud. Este proceso permitió que los SWCNT invadieran espontáneamente las paredes celulares de ambos protozoos. sinecocistis y los largos, serpenteantes, multicelulares Nostoc.
Después de este éxito, el equipo quería ver si los nanotubos podían usarse para obtener imágenes de cianobacterias, como se hace con las células de mamíferos. «Construimos una configuración personalizada única que nos permitió obtener imágenes de la fluorescencia especial del infrarrojo cercano que obtenemos de nuestros nanotubos dentro de la bacteria», dice Boghossian.
Alessandra Antonucci, exestudiante de doctorado en el laboratorio de Boghossian, agrega: «Cuando los nanotubos están dentro de la bacteria, se pueden ver muy claramente, aunque la bacteria emita su propia luz. Porque las longitudes de onda de los nanotubos están lejos en el rojo, el infrarrojo cercano. Obtiene una señal muy clara y estable de los nanotubos que no puede obtener de ningún otro sensor de nanopartículas. Estamos entusiasmados porque ahora podemos usar los nanotubos para ver qué sucede dentro de las células que eran difíciles de visualizar con partículas o proteínas más tradicionales. Los nanotubos emiten una luz que no emite ningún material vivo natural, no en estas longitudes de onda, y eso hace que los nanotubos sean realmente visibles en estas células”.
“Nanobiónica heredada”
Los científicos pudieron seguir el crecimiento y la división de las células al monitorear las bacterias en tiempo real. Sus resultados mostraron que las células hijas del microbio en división compartían los SWCNT.
«Cuando las bacterias se dividen, las células hijas se apoderan de los nanotubos junto con las propiedades de los nanotubos», dice Boghossian. “A esto lo llamamos ‘nanobiónica hereditaria’. Es como tener un miembro artificial que te da habilidades más allá de lo que puedes lograr naturalmente. Y ahora imagina que tus hijos pueden heredar sus rasgos de ti cuando nazcan. No solo enseñamos a las bacterias este comportamiento artificial, sino que este comportamiento también se transmite a su descendencia. Es nuestra primera demostración de nanobiónica heredada”.
Energía fotovoltaica viva
«Otro aspecto interesante es que cuando introducimos los nanotubos en las bacterias, las bacterias muestran un aumento significativo en la electricidad que producen cuando se iluminan con luz», dice Melania Reggente, postdoctorado en el grupo de Boghossian. “Y nuestro laboratorio ahora está trabajando en la idea de usar estas bacterias nanobiónicas en un sistema fotovoltaico vivo”.
Las energías fotovoltaicas «vivas» son dispositivos biológicos productores de energía que utilizan microorganismos fotosintéticos. Aunque estos dispositivos aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo, representan una solución real a nuestra actual crisis energética y los esfuerzos para abordar el cambio climático.
«Hay un secreto sucio en la comunidad fotovoltaica», dice Boghossian. “Es energía verde, pero la huella de carbono es realmente alta; mucho CO2 solo está aprobado para la producción de la mayoría de los fotovoltaicos estándar. Pero la belleza de la fotosíntesis es que no solo utiliza energía solar, sino que también tiene una huella de carbono negativa. En lugar de liberar CO2, lo absorbe. Así resuelve dos problemas a la vez: conversión de energía solar y CO2 Embargo. Y estas células solares están vivas. No necesitas una fábrica para construir cada una de las células bacterianas; Estas bacterias se autorreplican. Absorben CO automáticamente2 para producir más de sí mismos. Es el sueño de un científico de materiales”.
Boghossian imagina un dispositivo fotovoltaico vivo basado en cianobacterias que controla automáticamente la generación de electricidad y no depende de la adición de partículas extrañas. «En términos de implementación, el cuello de botella ahora es el costo y el impacto ambiental de introducir nanotubos en cianobacterias a gran escala».
Con vistas a una implementación a gran escala, Boghossian y su equipo están buscando respuestas en biología sintética: “Nuestro laboratorio ahora está trabajando en cianobacterias creadas mediante bioingeniería que pueden generar electricidad sin necesidad de aditivos de nanopartículas. Los avances en biología sintética nos permiten reprogramar estas células para que se comporten de manera completamente artificial. Podemos diseñarlos para que la generación de energía esté literalmente en su ADN”.
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