Nella loro ultima impresa di ingegneria, i ricercatori dello Stevens Institute of Technology hanno preso un comune fungo bianco da un negozio di alimentari e l'hanno reso bionico, sovralimentandolo con grappoli di cianobatteri stampati in 3D che generano elettricità e vortici di nanonastri di grafene che possono raccogliere la corrente.

Il lavoro, riportato nel numero del 7 novembre di Nano lettere , potrebbe sembrare qualcosa uscito direttamente da Alice nel Paese delle Meraviglie, ma gli ibridi fanno parte di uno sforzo più ampio per migliorare la nostra comprensione del macchinario biologico delle cellule e come utilizzare quegli intricati ingranaggi e leve molecolari per fabbricare nuove tecnologie e sistemi utili per la difesa, sanità e ambiente.

"In questo caso, il nostro sistema, questo fungo bionico, produce elettricità, " disse Manu Mannoor, un assistente professore di ingegneria meccanica a Stevens. "Integrando i cianobatteri in grado di produrre elettricità, con materiali su scala nanometrica in grado di captare la corrente, siamo stati in grado di accedere meglio alle proprietà uniche di entrambi, aumentarli, e creare un sistema bionico funzionale completamente nuovo."

La capacità dei cianobatteri di produrre elettricità è ben nota negli ambienti della bioingegneria. Però, i ricercatori sono stati limitati nell'uso di questi microbi in sistemi di bioingegneria perché i cianobatteri non sopravvivono a lungo su superfici artificiali biocompatibili. Mannoor e Sudeep Joshi, un borsista post-dottorato nel suo laboratorio, mi chiedevo se i funghi champignon bianchi, che ospitano naturalmente un ricco microbiota ma non i cianobatteri in particolare, potrebbe fornire l'ambiente giusto:sostanze nutritive, umidità, pH e temperatura—perché i cianobatteri producano elettricità per un periodo più lungo.

Mannoor e Joshi hanno dimostrato che le cellule cianobatteriche sono durate diversi giorni in più quando poste sul cappuccio di un fungo champignon bianco rispetto a un silicone e un fungo morto come controlli adeguati. "I funghi fungono essenzialmente da substrato ambientale idoneo con funzionalità avanzate di nutrimento dei cianobatteri produttori di energia, " dice Joshi. "Abbiamo mostrato per la prima volta che un sistema ibrido può incorporare una collaborazione artificiale, o simbiosi ingegnerizzata, tra due diversi regni microbiologici."

Mannoor e Joshi hanno utilizzato una stampante 3D basata su un braccio robotico per stampare prima un "inchiostro elettronico" contenente i nanonastri di grafene. Questa rete ramificata stampata funge da rete di raccolta dell'elettricità in cima al cappello del fungo, agendo come una nano-sonda, per accedere ai bioelettroni generati all'interno delle cellule cianobatteriche. Immagina aghi che si conficcano in una singola cella per accedere ai segnali elettrici al suo interno, spiega Mannoor.

Prossimo, hanno stampato un "bio-inchiostro" contenente cianobatteri sul cappuccio del fungo in un motivo a spirale che si interseca con l'inchiostro elettronico in più punti di contatto. In queste località, gli elettroni potrebbero trasferirsi attraverso le membrane esterne dei cianobatteri alla rete conduttiva di nanonastri di grafene. Fare luce sulla fotosintesi cianobatterica attivata dai funghi, generando una fotocorrente.

Oltre ai cianobatteri che vivono più a lungo in uno stato di simbiosi ingegnerizzata, Mannoor e Joshi hanno dimostrato che la quantità di elettricità prodotta da questi batteri può variare a seconda della densità e dell'allineamento con cui sono imballati, in modo tale che quanto più densamente sono, più elettricità producono. Con la stampa 3D, è stato possibile assemblarli in modo da aumentare di otto volte la loro attività di produzione di elettricità rispetto ai cianobatteri colati utilizzando una pipetta da laboratorio.

Recentemente, alcuni ricercatori hanno cellule batteriche stampate in 3D in diversi modelli geometrici spaziali, ma Mannoor e Joshi, così come il co-autore Ellexis Cook, non sono solo i primi a modellarlo per aumentare il loro comportamento di generazione di elettricità, ma anche a integrarlo per sviluppare un'architettura bionica funzionale.

"Con questo lavoro, possiamo immaginare enormi opportunità per applicazioni bioibride di prossima generazione, " Mannoor dice. "Per esempio, alcuni batteri possono brillare, mentre altri percepiscono le tossine o producono carburante. Integrando perfettamente questi microbi con i nanomateriali, potremmo potenzialmente realizzare molti altri sorprendenti bio-ibridi di design per l'ambiente, difesa, sanità e molti altri campi."