瑞士研究人員成功將納米管植入藍藻可增加電量并代代遺傳

人類社會正面臨著煤炭、石油、天然氣等能源枯竭的危機，清潔能源亟待開發。

太陽能，固然是地球上最豐富的可再生能源，但其利用的主要形式——光伏發電，即利用半導體材料將太陽能轉化為電能——卻不完美。部分光伏材料及其制造過程含有或涉及有毒有害元素、廢棄太陽能電池板總量大且難以回收；隨著太陽能光伏的不斷推廣使用，對環境的負面沖擊不可忽視。而為了制造光伏發電裝置所間接造成的碳足跡也不容小覷。

生物光伏為太陽能利用提供了一條生物學路徑。它使用含氧光自養生物（如藍藻）或其部分來收集光能并產生電力。光合作用不僅利用了太陽能，還具有負碳足跡，同時解決了太陽能轉換和二氧化碳封存兩個問題。生物光伏有望成為環境更加友好的新一代太陽能發電技術。

盡管藍藻等光合微生物具有很高的光合效率，但產電活性很弱，生物光伏系統的輸出功率目前仍然很低。

阿德米斯

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院基礎科學學院的一組研究人員在這一領域取得一項突破——成功將人造納米材料與生物結構（藍藻活細胞）連接，由此產生的“納米生物”技術結合了生物和非生物的優勢，有望提高生物光伏的發電性能。

“將納米管放入細菌中，表面上看起來并不是很令人興奮，但這實際上是一件大事。”該文通訊作者、洛桑聯邦理工學院化學科學與工程學院教授阿德米斯說。

雖然還有很長的路要走，但阿德米斯正在展望細菌發電的潛在未來：“研究人員一直在將納米管放入哺乳動物細胞中，這些細胞具有內吞作用等機制。但細菌沒有這些機制，并且在讓顆粒通過其堅硬的外部時面臨著額外的挑戰。盡管存在這些障礙，我們還是設法做到了這一點，這在應用方面非常令人興奮?！?/p>

多年來，阿德米斯團隊一直致力于單壁碳納米管（SWCNTs，以下簡稱“納米管”）的納米材料應用，SWCNT由一層以圓柱形排列的單層石墨組成，具有其他納米管所不具備的某些機械和光學性質。

這些特性使該納米管成為納米生物技術領域許多新應用的理想選擇。例如，它已被放置在哺乳動物細胞內，以使用近紅外成像監測其新陳代謝。在哺乳動物細胞中插入納米管也導致了將治療藥物遞送到其細胞內靶標的新技術；而在植物細胞中，它們已被用于基因組編輯。納米管也被植入活體小鼠體內，以證明它們能夠對體內深處的生物組織進行成像。

藍藻門細菌的形態多樣性

在該研究中，阿德米斯的團隊及其國際同事能夠通過用帶正電荷的蛋白質（這些蛋白質被細菌外膜的負電荷所吸引）“裝飾”細菌來“說服”細菌自發地吸收納米管。

該研究利用了兩種藍藻門的細菌，分別為Synechocystis和Nostoc, 作為革蘭氏陰性菌，其細胞壁很薄，具有革蘭氏陽性細菌所缺乏的外膜。

研究人員觀察到，藍藻通過被動、長度依賴性和選擇性過程“吸收”了納米管。該過程允許納米管自發地穿透Synechocystis和Nostoc細胞壁。

有趣的是，納米管植入藍藻后，當細胞分裂時，納米管會留在子代細胞。

在此之后，研究小組想看看納米管是否可以用來成像藍藻——就像在哺乳動物細胞中發揮的作用一樣。

“我們首創了一個定制設備，能夠對細菌內部的納米管獲得的特殊近紅外熒光進行成像。”阿德米斯說。

實驗證明，細菌內部的納米管可以被清楚地看到，即使細菌本身也同時發光。這是因為，納米管發射的為近紅外線，該信號清晰而穩定，是目前任何其他納米顆粒傳感器都無法媲美的。

通過使用納米管就可觀察細胞內部發生了什么，這令研究人員很興奮。因為這些細胞難以使用傳統的顆?；虻鞍踪|成像；而納米管發出的光是天然生命物質所不具備的，遂使其脫穎而出。

實現了對細菌的實時監測后，研究人員通過跟蹤細胞的生長和分裂發現，納米管可由細菌分裂后形成的子細胞共享。

“當細菌分裂時，子細胞繼承了納米管以及納米管的性質?！卑⒌旅姿拐f，“我們稱之為‘遺傳納米生物’。這像一個假肢，賦予細胞超出自然限度的能力。我們不僅將此賦予了細菌，而且也被它們的后代遺傳。這是我們對遺傳納米生物的首次演示?！?/p>

另一個有趣的現象是，當納米管置于細菌內部時，細菌在被光照亮時產生的電量顯著增強。因此，該實驗室正致力于將這些納米生物細菌用于生物光伏發電。

阿德米斯設想了一種基于藍藻的生物光伏設備，該設備可以自動控制不依賴于添加異物顆粒的電力生產。

“在實施方面，現在的瓶頸是大規模將納米管放入藍藻體內的成本和環境影響?！卑⒌旅姿购退膱F隊正在為擴大規模尋求合成生物學的解決方案。“我們的實驗室現在正致力于生物工程藍藻，這種藍藻可以在不需要納米顆粒添加劑的情況下發電。合成生物學的進步使我們能夠重新編程這些細胞。我們可以對它們進行工程設計，使發電這一功能存在于它們的DNA中。”