"Mettiamo nanotubi all'interno dei batteri", afferma il professor Ardemis Boghossian della School of Basic Sciences dell'EPFL. "Non sembra molto eccitante in superficie, ma in realtà è un grosso problema. I ricercatori hanno inserito nanotubi nelle cellule dei mammiferi che utilizzano meccanismi come l'endocitosi, che sono specifici per quel tipo di cellule. I batteri, d'altra parte, non "Non abbiamo questi meccanismi e affrontiamo ulteriori sfide per far passare le particelle attraverso il loro esterno resistente. Nonostante queste barriere, siamo riusciti a farlo e questo ha implicazioni molto interessanti in termini di applicazioni".

La ricerca di Boghossian si concentra sull'interfacciamento di nanomateriali artificiali con costrutti biologici, comprese le cellule viventi. Le tecnologie "nanobioniche" risultanti combinano i vantaggi sia del mondo vivente che di quello non vivente. Per anni, il suo gruppo ha lavorato sulle applicazioni nanomateriali dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), tubi di atomi di carbonio con affascinanti proprietà meccaniche e ottiche.

Queste proprietà rendono gli SWCNT ideali per molte nuove applicazioni nel campo della nanobiotecnologia. Ad esempio, gli SWCNT sono stati inseriti all'interno di cellule di mammiferi per monitorare il loro metabolismo utilizzando l'imaging nel vicino infrarosso. L'inserimento di SWCNT nelle cellule dei mammiferi ha anche portato a nuove tecnologie per la somministrazione di farmaci terapeutici ai loro bersagli intracellulari, mentre nelle cellule vegetali sono stati utilizzati per l'editing del genoma. Gli SWCNT sono stati impiantati anche in topi vivi per dimostrare la loro capacità di visualizzare il tessuto biologico in profondità all'interno del corpo.

Nanotubi fluorescenti nei batteri:una prima

In un articolo pubblicato su Nature Nanotechnology , il gruppo di Boghossian con i suoi colleghi internazionali è riuscito a "convincere" i batteri ad assorbire spontaneamente gli SWCNT "decorandoli" con proteine ​​caricate positivamente che sono attratte dalla carica negativa della membrana esterna dei batteri. I due tipi di batteri esplorati nello studio, Synechocystis e Nostoc, appartengono al Cyanobacteria phylum, un enorme gruppo di batteri che ottengono la loro energia attraverso la fotosintesi, come le piante. Sono anche "gram-negativi", il che significa che la loro parete cellulare è sottile e hanno una membrana esterna aggiuntiva che manca ai batteri "gram-positivi".

I ricercatori hanno osservato che i cianobatteri hanno interiorizzato gli SWCNT attraverso un processo selettivo, dipendente dalla lunghezza e passivo. Questo processo ha permesso agli SWCNT di penetrare spontaneamente nelle pareti cellulari sia del Synechocystis unicellulare che del lungo Nostoc multicellulare simile a un serpente.

A seguito di questo successo, il team ha voluto vedere se i nanotubi possono essere utilizzati per l'immagine dei cianobatteri, come nel caso delle cellule di mammifero. "Abbiamo creato una configurazione personalizzata unica nel suo genere che ci ha permesso di visualizzare la speciale fluorescenza nel vicino infrarosso che otteniamo dai nostri nanotubi all'interno dei batteri", afferma Boghossian.

Alessandra Antonucci, ex Ph.D. uno studente del laboratorio di Boghossian aggiunge:"Quando i nanotubi sono all'interno dei batteri, puoi vederli molto chiaramente, anche se i batteri emettono luce propria. Questo perché le lunghezze d'onda dei nanotubi sono molto nel rosso, nel vicino infrarosso. Dai nanotubi ottieni un segnale molto chiaro e stabile che non puoi ottenere da nessun altro sensore di nanoparticelle. Siamo entusiasti perché ora possiamo usare i nanotubi per vedere cosa sta succedendo all'interno delle cellule che sono state difficili da utilizzare con l'immagine particelle o proteine ​​più tradizionali. I nanotubi emettono una luce che nessun materiale vivente naturale emette, a queste lunghezze d'onda, e questo fa risaltare i nanotubi in queste cellule."

"Nanobionica ereditata"

Gli scienziati sono stati in grado di monitorare la crescita e la divisione delle cellule monitorando i batteri in tempo reale. I loro risultati hanno rivelato che gli SWCNT erano condivisi dalle cellule figlie del microbo in divisione. "Quando i batteri si dividono, le cellule figlie intrinseche ai nanotubi insieme alle proprietà dei nanotubi", afferma Boghossian.

"Chiamiamo questa 'nanobionica ereditata.' È come avere un arto artificiale che ti dà capacità al di là di ciò che puoi ottenere naturalmente. E ora immagina che i tuoi figli possano ereditare le sue proprietà da te quando sono nati. Non solo abbiamo trasmesso i batteri con questo comportamento artificiale, ma questo comportamento è ereditato anche dai loro discendenti. È la nostra prima dimostrazione di nanobionica ereditaria."

Fotovoltaico vivente

"Un altro aspetto interessante è che quando mettiamo i nanotubi all'interno dei batteri, i batteri mostrano un aumento significativo dell'elettricità che produce quando viene illuminato dalla luce", afferma Melania Reggente, postdoc del gruppo di Boghossian. "E il nostro laboratorio sta ora lavorando all'idea di utilizzare questi batteri nanobionici in un fotovoltaico vivente."

I fotovoltaici "viventi" sono dispositivi biologici che producono energia che utilizzano microrganismi fotosintetici. Sebbene siano ancora nelle prime fasi di sviluppo, questi dispositivi rappresentano una vera soluzione alla nostra crisi energetica in corso e agli sforzi contro il cambiamento climatico.

"C'è uno sporco segreto nella comunità fotovoltaica", dice Boghossian. "È energia verde, ma l'impronta di carbonio è davvero alta; molta CO₂ viene rilasciato solo per realizzare la maggior parte dei fotovoltaici standard. Ma la cosa bella della fotosintesi non è solo che sfrutta l'energia solare, ma ha anche un'impronta di carbonio negativa. Invece di rilasciare CO₂ , lo assorbe. Quindi risolve due problemi contemporaneamente:conversione dell'energia solare e CO₂ sequestro. E questi pannelli solari sono vivi. Non hai bisogno di una fabbrica per costruire ogni singola cellula batterica; questi batteri sono autoreplicanti. Assorbono automaticamente CO₂ per produrre di più di se stessi. Questo è il sogno di uno scienziato dei materiali."

Boghossian immagina un dispositivo fotovoltaico vivente basato su cianobatteri che ha un controllo automatizzato sulla produzione di elettricità che non si basa sull'aggiunta di particelle estranee. "In termini di implementazione, il collo di bottiglia ora è il costo e gli effetti ambientali dell'inserimento di nanotubi all'interno dei cianobatteri su larga scala."

Con un occhio all'implementazione su larga scala, Boghossian e il suo team stanno cercando risposte nella biologia sintetica:"Il nostro laboratorio sta ora lavorando alla bioingegneria dei cianobatteri in grado di produrre elettricità senza la necessità di additivi di nanoparticelle. I progressi nella biologia sintetica ci consentono di riprogrammarli cellule a comportarsi in modi totalmente artificiali. Possiamo progettarle in modo che la produzione di elettricità sia letteralmente nel loro DNA". + Esplora ulteriormente

L'evoluzione diretta crea nanoparticelle