En su última hazaña de ingeniería, investigadores del Instituto de Tecnología Stevens han tomado un hongo botón blanco común de una tienda de comestibles y lo han convertido en biónico, sobrecargándolo con grupos de cianobacterias impresos en 3D que generan electricidad y remolinos de nanocintas de grafeno que pueden recoger la corriente.

La obra, informó en la edición del 7 de noviembre de Nano letras , puede sonar como algo sacado directamente de Alicia en el país de las maravillas, pero los híbridos son parte de un esfuerzo más amplio para mejorar nuestra comprensión de la maquinaria biológica de las células y cómo usar esos intrincados engranajes y palancas moleculares para fabricar nuevas tecnologías y sistemas útiles para la defensa, salud y medio ambiente.

"En este caso, nuestro sistema, este hongo biónico, produce electricidad, "dijo Manu Mannoor, profesor asistente de ingeniería mecánica en Stevens. "Al integrar cianobacterias que pueden producir electricidad, con materiales a nanoescala capaces de recoger la corriente, pudimos acceder mejor a las propiedades únicas de ambos, aumentarlos, y crear un sistema biónico funcional completamente nuevo ".

La capacidad de las cianobacterias para producir electricidad es bien conocida en los círculos de bioingeniería. Sin embargo, los investigadores se han visto limitados en el uso de estos microbios en sistemas de bioingeniería porque las cianobacterias no sobreviven mucho tiempo en superficies artificiales biocompatibles. Mannoor y Sudeep Joshi, un becario postdoctoral en su laboratorio, me preguntaba si los champiñones blancos, que albergan de forma natural una rica microbiota pero no específicamente cianobacterias, podría proporcionar el entorno adecuado:nutrientes, humedad, pH y temperatura:para que las cianobacterias produzcan electricidad durante un período más largo.

Mannoor y Joshi demostraron que las células cianobacterianas duraron varios días más cuando se colocaron en la tapa de un hongo botón blanco frente a un hongo de silicona y muerto como controles adecuados. "Los hongos sirven esencialmente como un sustrato ambiental adecuado con una funcionalidad avanzada de nutrir las cianobacterias productoras de energía, ", dice Joshi." Demostramos por primera vez que un sistema híbrido puede incorporar una colaboración artificial, o simbiosis diseñada, entre dos reinos microbiológicos diferentes ".

Mannoor y Joshi utilizaron una impresora 3D basada en un brazo robótico para imprimir primero una "tinta electrónica" que contenía las nanocintas de grafeno. Esta red ramificada impresa sirve como una red de recolección de electricidad sobre la tapa del hongo al actuar como una nano-sonda, para acceder a los bioelectrones generados dentro de las células cianobacterianas. Imagínese agujas clavadas en una sola celda para acceder a las señales eléctricas dentro de ella, explica Mannoor.

Próximo, imprimieron una "biotinta" que contenía cianobacterias en la tapa del hongo en un patrón en espiral que se cruzaba con la tinta electrónica en múltiples puntos de contacto. En estos lugares, los electrones podrían transferirse a través de las membranas externas de las cianobacterias a la red conductora de nanocintas de grafeno. Al iluminar las setas se activó la fotosíntesis de cianobacterias, generando una fotocorriente.

Además de las cianobacterias que viven más tiempo en un estado de simbiosis diseñada, Mannoor y Joshi demostraron que la cantidad de electricidad que producen estas bacterias puede variar según la densidad y la alineación con la que están empaquetadas. de modo que cuanto más densamente empaquetados estén, más electricidad producen. Con impresión 3D, fue posible ensamblarlos para aumentar su actividad de producción de electricidad ocho veces más que las cianobacterias fundidas utilizando una pipeta de laboratorio.

Recientemente, algunos investigadores tienen células bacterianas impresas en 3D en diferentes patrones geométricos espaciales, pero Mannoor y Joshi, así como la coautora Ellexis Cook, no solo son los primeros en modelarlo para aumentar su comportamiento de generación de electricidad, sino que también lo integran para desarrollar una arquitectura biónica funcional.

"Con este trabajo, podemos imaginar enormes oportunidades para las aplicaciones biohíbridas de próxima generación, "Mannoor dice". Por ejemplo, algunas bacterias pueden brillar, mientras que otros detectan toxinas o producen combustible. Al integrar a la perfección estos microbios con nanomateriales, potencialmente podríamos realizar muchos otros híbridos biológicos de diseño asombrosos para el medio ambiente, defensa, salud y muchos otros campos ".