用3D打印的藍(lán)細(xì)菌仿生蘑菇產(chǎn)生生物電

2018年11月13日，南極熊從外媒獲悉，史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出使用石墨烯發(fā)電的仿生蘑菇。 更準(zhǔn)確地說，研究人員在蘑菇的帽子上添加了3D打印的藍(lán)細(xì)菌簇，使真菌具有發(fā)電能力。 他們還投入石墨烯納米帶來收集電流。

圖片來源：史蒂文斯理工學(xué)院Sudeep Joshi

藍(lán)藻的驚人生產(chǎn)能力在生物工程界廣為人知。然而，研究人員一直限制在生物工程系統(tǒng)中使用這些微生物，因為藍(lán)藻在人工生物相容性表面上不能存活很長時間。 Mannoor和Sudeep Joshi是他實驗室的博士后研究員，他想知道蘑菇是否可以為各種細(xì)菌提供適當(dāng)?shù)沫h(huán)境 - 營養(yǎng)，水分，pH和溫度 - 藍(lán)藻可以為其提供電力。

“在這種情況下，我們的仿生蘑菇產(chǎn)生電力，”史蒂文斯機(jī)械工程助理教授Manu Mannoor說。 “通過整合能夠產(chǎn)生電能的藍(lán)細(xì)菌和能夠收集電流的納米級材料，我們能夠更好地獲得兩者的獨(dú)特性質(zhì)，并創(chuàng)造一個全新的功能性仿生系統(tǒng)。”

Mannoor和Joshi表示，當(dāng)放置在白色紐扣蘑菇的蓋子上時，藍(lán)藻細(xì)胞會持續(xù)數(shù)天，而硅膠和死蘑菇則作為合適的對照。 “這些蘑菇基本上是一種合適的環(huán)境基質(zhì)，具有滋養(yǎng)能量產(chǎn)生藍(lán)藻的先進(jìn)功能，”Joshi說。 “我們首次展示了混合系統(tǒng)可以在兩個不同的微生物王國之間進(jìn)行人工合作或工程共生。”

為了開發(fā)仿生蘑菇，Mannoor和Joshi使用基于機(jī)械臂的3D打印機(jī)首先打印含有納米石墨烯的“電子墨水”。這種打印的分支網(wǎng)絡(luò)通過像納米探針一樣充當(dāng)蘑菇帽頂部的電力收集網(wǎng)絡(luò)，以獲取藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的生物電子。 Mannoor解釋說，想象一下針刺入單個細(xì)胞內(nèi)以獲取其內(nèi)部的電信號。

接下來，他們將含有藍(lán)細(xì)菌的“生物墨水”以螺旋圖案打印到蘑菇帽上，所述螺旋圖案在多個接觸點處與電子墨水相交。在這些位置，電子可以通過藍(lán)細(xì)菌的外膜轉(zhuǎn)移到石墨烯納米帶的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。照亮了蘑菇，激活了藍(lán)藻的光合作用，產(chǎn)生了光電流。

除了在工程共生狀態(tài)下長壽的藍(lán)細(xì)菌外，Mannoor和Joshi表明這些細(xì)菌產(chǎn)生的電量可以根據(jù)它們的密度和排列方式而變化，這樣它們的密集程度就越高，他們生產(chǎn)的電力越多。通過3D打印，可以組裝它們，以便使用實驗室移液器將其發(fā)電活性提高八倍于鑄造的藍(lán)細(xì)菌。

“通過這項工作，我們可以想象下一代生物混合應(yīng)用的巨大機(jī)會，”Mannoor說。 “例如，一些細(xì)菌可以發(fā)光，而其他細(xì)菌可以感知毒素或產(chǎn)生燃料。通過將這些微生物與納米材料無縫整合，我們可以為環(huán)境，國防，醫(yī)療保健和許多其他領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)許多其他令人驚嘆的設(shè)計生物混合物。”

該團(tuán)隊的工作出現(xiàn)在Nano Letters期刊上。https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b02642


編譯自：3ders