"Ponemos nanotubos dentro de las bacterias", dice el profesor Ardemis Boghossian de la Escuela de Ciencias Básicas de la EPFL. "Eso no suena muy emocionante en la superficie, pero en realidad es un gran problema. Los investigadores han estado colocando nanotubos en células de mamíferos que usan mecanismos como la endocitosis, que son específicos para ese tipo de células. Las bacterias, por otro lado, no "No tienen estos mecanismos y enfrentan desafíos adicionales para hacer que las partículas atraviesen su exterior resistente. A pesar de estas barreras, hemos logrado hacerlo, y esto tiene implicaciones muy emocionantes en términos de aplicaciones".

La investigación de Boghossian se centra en interconectar nanomateriales artificiales con construcciones biológicas, incluidas las células vivas. Las tecnologías "nanobiónicas" resultantes combinan las ventajas de los mundos vivos y no vivos. Durante años, su grupo ha trabajado en las aplicaciones de nanomateriales de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), tubos de átomos de carbono con fascinantes propiedades mecánicas y ópticas.

Estas propiedades hacen que los SWCNT sean ideales para muchas aplicaciones novedosas en el campo de la nanobiotecnología. Por ejemplo, se han colocado SWCNT dentro de células de mamíferos para monitorear sus metabolismos utilizando imágenes de infrarrojo cercano. La inserción de SWCNT en células de mamíferos también ha dado lugar a nuevas tecnologías para administrar fármacos terapéuticos a sus objetivos intracelulares, mientras que en células vegetales se han utilizado para editar genomas. Los SWCNT también se han implantado en ratones vivos para demostrar su capacidad para obtener imágenes de tejido biológico en el interior del cuerpo.

Nanotubos fluorescentes en bacterias:una primicia

En un artículo publicado en Nature Nanotechnology , el grupo de Boghossian con sus colegas internacionales pudieron "convencer" a las bacterias para que adoptaran SWCNT espontáneamente al "decorarlas" con proteínas cargadas positivamente que son atraídas por la carga negativa de la membrana externa de las bacterias. Los dos tipos de bacterias exploradas en el estudio, Synechocystis y Nostoc, pertenecen al filo Cyanobacteria, un enorme grupo de bacterias que obtienen su energía a través de la fotosíntesis, como las plantas. También son "gramnegativos", lo que significa que su pared celular es delgada y tienen una membrana externa adicional de la que carecen las bacterias "grampositivas".

Los investigadores observaron que las cianobacterias internalizaron los SWCNT a través de un proceso pasivo, selectivo y dependiente de la longitud. Este proceso permitió que los SWCNT penetraran espontáneamente en las paredes celulares tanto del Synechocystis unicelular como del largo Nostoc multicelular con forma de serpiente.

Tras este éxito, el equipo quería ver si los nanotubos se pueden utilizar para obtener imágenes de cianobacterias, como es el caso de las células de mamíferos. "Construimos una configuración personalizada, la primera de su tipo, que nos permitió obtener imágenes de la fluorescencia especial del infrarrojo cercano que obtenemos de nuestros nanotubos dentro de la bacteria", dice Boghossian.

Alessandra Antonucci, ex Ph.D. El estudiante del laboratorio de Boghossian agrega:"Cuando los nanotubos están dentro de las bacterias, se pueden ver muy claramente, aunque las bacterias emitan su propia luz. Esto se debe a que las longitudes de onda de los nanotubos están lejos en el rojo, el infrarrojo cercano". Obtiene una señal muy clara y estable de los nanotubos que no puede obtener de ningún otro sensor de nanopartículas. Estamos entusiasmados porque ahora podemos usar los nanotubos para ver qué sucede dentro de las células que han sido difíciles de obtener con imágenes. partículas o proteínas más tradicionales. Los nanotubos emiten una luz que ningún material vivo natural emite, no en estas longitudes de onda, y eso hace que los nanotubos realmente se destaquen en estas células".

'Nanobiónica heredada'

Los científicos pudieron rastrear el crecimiento y la división de las células al monitorear las bacterias en tiempo real. Sus hallazgos revelaron que las células hijas del microbio en división compartían los SWCNT. "Cuando la bacteria se divide, las células hijas heredan los nanotubos junto con las propiedades de los nanotubos", dice Boghossian.

“A esto lo llamamos 'nanobiónica heredada'. Es como tener una extremidad artificial que te da capacidades más allá de lo que puedes lograr naturalmente. Y ahora imagina que tus hijos pueden heredar sus propiedades de ti cuando nazcan. No solo impartimos a las bacterias este comportamiento artificial, sino que este comportamiento es también heredado por sus descendientes. Es nuestra primera demostración de nanobiónica heredada".

Fotovoltaica viva

"Otro aspecto interesante es que cuando colocamos los nanotubos dentro de la bacteria, la bacteria muestra una mejora significativa en la electricidad que produce cuando es iluminada por la luz", dice Melania Reggente, postdoctorado en el grupo de Boghossian. "Y nuestro laboratorio ahora está trabajando en la idea de usar estas bacterias nanobiónicas en una fotovoltaica viva".

Las energías fotovoltaicas "vivas" son dispositivos biológicos productores de energía que utilizan microorganismos fotosintéticos. Aunque aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo, estos dispositivos representan una solución real a nuestra actual crisis energética y los esfuerzos contra el cambio climático.

"Hay un sucio secreto en la comunidad fotovoltaica", dice Boghossian. "Es energía verde, pero la huella de carbono es realmente alta; mucho CO₂ se lanza solo para hacer la mayoría de los fotovoltaicos estándar. Pero lo bueno de la fotosíntesis no solo es que aprovecha la energía solar, sino que también tiene una huella de carbono negativa. En lugar de liberar CO₂ , lo absorbe. Así resuelve dos problemas a la vez:conversión de energía solar y CO₂ secuestro. Y estas células solares están vivas. No necesita una fábrica para construir cada célula bacteriana individual; estas bacterias se autorreplican. Absorben automáticamente CO₂ para producir más de sí mismos. Este es el sueño de un científico de materiales".

Boghossian imagina un dispositivo fotovoltaico vivo basado en cianobacterias que tienen un control automatizado sobre la producción de electricidad que no depende de la adición de partículas extrañas. "En términos de implementación, el cuello de botella ahora es el costo y los efectos ambientales de colocar nanotubos dentro de cianobacterias a gran escala".

Con la vista puesta en la implementación a gran escala, Boghossian y su equipo están buscando respuestas en la biología sintética:"Nuestro laboratorio ahora está trabajando en la bioingeniería de cianobacterias que pueden producir electricidad sin la necesidad de aditivos de nanopartículas. Los avances en biología sintética nos permiten reprogramar estos células se comporten de manera totalmente artificial. Podemos diseñarlas para que la producción de electricidad esté literalmente en su ADN". + Explora más

La evolución dirigida construye nanopartículas