"Colocamos nanotubos dentro de bactérias", diz o professor Ardemis Boghossian da Escola de Ciências Básicas da EPFL. "Isso não parece muito empolgante na superfície, mas é realmente um grande negócio. Pesquisadores têm colocado nanotubos em células de mamíferos que usam mecanismos como endocitose, que são específicos para esses tipos de células. As bactérias, por outro lado, não 'não tem esses mecanismos e enfrenta desafios adicionais em obter partículas através de seu exterior resistente. Apesar dessas barreiras, conseguimos fazê-lo, e isso tem implicações muito interessantes em termos de aplicações."
A pesquisa de Boghossian se concentra na interface de nanomateriais artificiais com construções biológicas, incluindo células vivas. As tecnologias "nanobiônicas" resultantes combinam as vantagens dos mundos vivos e não vivos. Durante anos, seu grupo trabalhou nas aplicações nanomateriais de nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs), tubos de átomos de carbono com propriedades mecânicas e ópticas fascinantes.

Essas propriedades tornam os SWCNTs ideais para muitas novas aplicações no campo da nanobiotecnologia. Por exemplo, SWCNTs foram colocados dentro de células de mamíferos para monitorar seus metabolismos usando imagens de infravermelho próximo. A inserção de SWCNTs em células de mamíferos também levou a novas tecnologias para entrega de drogas terapêuticas aos seus alvos intracelulares, enquanto em células vegetais eles têm sido usados ​​para edição de genoma. SWCNTs também foram implantados em camundongos vivos para demonstrar sua capacidade de criar imagens de tecidos biológicos nas profundezas do corpo.

Nanotubos fluorescentes em bactérias:um primeiro

Em um artigo publicado na Nature Nanotechnology , o grupo de Boghossian com seus colegas internacionais foi capaz de "convencer" as bactérias a absorver espontaneamente os SWCNTs "decorando-os" com proteínas carregadas positivamente que são atraídas pela carga negativa da membrana externa da bactéria. Os dois tipos de bactérias explorados no estudo, Synechocystis e Nostoc, pertencem ao filo Cyanobacteria, um enorme grupo de bactérias que obtém sua energia através da fotossíntese – como as plantas. Eles também são "Gram-negativos", o que significa que sua parede celular é fina, e eles têm uma membrana externa adicional que as bactérias "Gram-positivas" não possuem.

Os pesquisadores observaram que as cianobactérias internalizaram os SWCNTs por meio de um processo passivo, dependente do comprimento e seletivo. Esse processo permitiu que os SWCNTs penetrassem espontaneamente nas paredes celulares tanto do Synechocystis unicelular quanto do Nostoc longo, semelhante a uma cobra e multicelular.

Após esse sucesso, a equipe queria ver se os nanotubos podem ser usados ​​para criar imagens de cianobactérias – como é o caso das células de mamíferos. "Construímos uma configuração personalizada inédita que nos permitiu visualizar a fluorescência especial no infravermelho próximo que obtemos de nossos nanotubos dentro das bactérias", diz Boghossian.

Alessandra Antonucci, ex-Ph.D. Um estudante do laboratório de Boghossian acrescenta:"Quando os nanotubos estão dentro das bactérias, você pode vê-los muito claramente, mesmo que as bactérias emitam sua própria luz. Isso ocorre porque os comprimentos de onda dos nanotubos estão muito no vermelho, no infravermelho próximo. Você obtém um sinal muito claro e estável dos nanotubos que não pode obter de nenhum outro sensor de nanopartículas. Estamos empolgados porque agora podemos usar os nanotubos para ver o que está acontecendo dentro das células que foram difíceis de visualizar usando partículas ou proteínas mais tradicionais. Os nanotubos emitem uma luz que nenhum material vivo natural emite, não nesses comprimentos de onda, e isso faz com que os nanotubos realmente se destaquem nessas células."

'Nanobiônica herdada'

Os cientistas conseguiram rastrear o crescimento e a divisão das células monitorando as bactérias em tempo real. Suas descobertas revelaram que os SWCNTs estavam sendo compartilhados pelas células filhas do micróbio em divisão. "Quando as bactérias se dividem, as células filhas inerentes aos nanotubos juntamente com as propriedades dos nanotubos", diz Boghossian.

"Chamamos isso de 'nanobiônica herdada'. É como ter um membro artificial que lhe dá capacidades além do que você pode alcançar naturalmente. E agora imagine que seus filhos podem herdar suas propriedades de você quando nascem. Não apenas transmitimos às bactérias esse comportamento artificial, mas esse comportamento é também herdado por seus descendentes. É nossa primeira demonstração de nanobiônica herdada."

Fotovoltaica viva

“Outro aspecto interessante é que quando colocamos os nanotubos dentro da bactéria, a bactéria mostra um aumento significativo na eletricidade que produz quando é iluminada pela luz”, diz Melania Reggente, pós-doutoranda do grupo de Boghossian. “E nosso laboratório agora está trabalhando para a ideia de usar essas bactérias nanobiônicas em um fotovoltaico vivo”.

Os fotovoltaicos "vivos" são dispositivos biológicos de produção de energia que usam microrganismos fotossintéticos. Embora ainda nos estágios iniciais de desenvolvimento, esses dispositivos representam uma solução real para nossa atual crise de energia e esforços contra as mudanças climáticas.

"Há um segredo sujo na comunidade fotovoltaica", diz Boghossian. "É energia verde, mas a pegada de carbono é muito alta; muito CO₂ é lançado apenas para fazer a maioria dos fotovoltaicos padrão. Mas o que é bom sobre a fotossíntese não é apenas aproveitar a energia solar, mas também tem uma pegada de carbono negativa. Em vez de liberar CO₂ , ele absorve. Portanto, resolve dois problemas de uma só vez:conversão de energia solar e CO₂ sequestro. E essas células solares estão vivas. Você não precisa de uma fábrica para construir cada célula bacteriana individual; essas bactérias são auto-replicantes. Eles absorvem automaticamente CO₂ produzir mais de si. Este é o sonho de um cientista de materiais."

Boghossian prevê um dispositivo fotovoltaico vivo baseado em cianobactérias que tem controle automatizado sobre a produção de eletricidade que não depende da adição de partículas estranhas. "Em termos de implementação, o gargalo agora é o custo e os efeitos ambientais de colocar nanotubos dentro de cianobactérias em grande escala."

De olho na implementação em larga escala, Boghossian e sua equipe estão procurando respostas na biologia sintética:"Nosso laboratório está agora trabalhando na bioengenharia de cianobactérias que podem produzir eletricidade sem a necessidade de aditivos de nanopartículas. células se comportem de maneira totalmente artificial. Podemos criá-las para que a produção de eletricidade esteja literalmente em seu DNA." + Explorar mais

A evolução direcionada cria nanopartículas