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Champignon blanc doté de nanorubans de graphène imprimés en 3D (noir), qui collectent l'électricité générée par des cyanobactéries imprimées en 3D très dense (vert) Crédit: Sudeep Joshi, Institut de technologie de Stevens
Dans leur dernier exploit technique, les chercheurs du Stevens Institute of Technology ont pris un champignon blanc ordinaire dans une épicerie et l'ont rendu bionique, en le suralimentant avec des grappes de cyanobactéries imprimées en 3D qui produisent de l'électricité et des tourbillons de nanorubans de graphène pouvant collecter le courant.
Le travail, rapporté dans le numéro du 7 novembre de Nano Lettres, cela peut sembler un fait tout droit sorti d’Alice au pays des merveilles, mais les hybrides font partie d’un effort plus vaste visant à améliorer notre compréhension des mécanismes biologiques des cellules et de la manière d’utiliser ces engrenages et leviers moléculaires complexes pour fabriquer de nouvelles technologies et des systèmes utiles pour la défense, santé et environnement.
"Dans ce cas, notre système, ce champignon bionique, produit de l'électricité", a déclaré Manu Mannoor, professeur assistant en génie mécanique à Stevens. "En intégrant des cyanobactéries capables de produire de l'électricité et des matériaux à l'échelle nanométrique capables de collecter le courant, nous avons pu mieux accéder aux propriétés uniques des deux, les augmenter et créer un tout nouveau système fonctionnel bionique."
La capacité des cyanobactéries à produire de l'électricité est bien connue dans les milieux de la bio-ingénierie. Cependant, les chercheurs ont été limités dans l'utilisation de ces microbes dans des systèmes de génie biologique, car les cyanobactéries ne survivent pas longtemps sur des surfaces biocompatibles artificielles. Mannoor et Sudeep Joshi, stagiaire postdoctoral dans son laboratoire, se demandaient si les champignons blancs, qui hébergent naturellement un microbiote riche mais pas spécifiquement des cyanobactéries, pourraient fournir le bon environnement (nutriments, humidité, pH et température) pour que les cyanobactéries produisent une période plus longue.
Mannoor et Joshi ont montré que les cellules cyanobactériennes duraient plusieurs jours de plus lorsqu'elles étaient placées sur le capuchon d'un champignon blanc contre un champignon en silicone et mort comme moyens de contrôle appropriés. "Les champignons servent essentiellement de substrat environnemental approprié avec une fonctionnalité avancée pour nourrir les cyanobactéries productrices d'énergie", a déclaré Joshi. "Nous avons montré pour la première fois qu'un système hybride peut intégrer une collaboration artificielle, ou symbiose artificielle, entre deux règnes microbiologiques différents."
Les cyanobactéries densément tassées (vertes) obtenues via l'impression 3D augmentent le comportement de génération d'électricité. Crédit: Sudeep Joshi, Institut de technologie de Stevens
Mannoor et Joshi ont d'abord utilisé une imprimante 3D à bras robotisée pour imprimer une "encre électronique" contenant les nanorubans de graphène. Ce réseau ramifié imprimé sert de réseau de collecte d'électricité au sommet de la coiffe du champignon en agissant comme une nano-sonde – pour accéder aux bio-électrons générés à l'intérieur des cellules cyanobactériennes. Imaginez des aiguilles qui collent dans une seule cellule pour accéder aux signaux électriques qu’elle contient, explique Mannoor.
Ensuite, ils ont imprimé une "bio-encre" contenant des cyanobactéries sur la coiffe du champignon selon un motif en spirale se croisant avec l'encre électronique à plusieurs points de contact. À ces endroits, les électrons pourraient être transférés à travers les membranes externes des cyanobactéries vers le réseau conducteur de nanorubans de graphène. La lumière sur les champignons a activé la photosynthèse cyanobactérienne, générant un photocourant.
En plus des cyanobactéries vivant plus longtemps dans un état de symbiose artificielle, Mannoor et Joshi ont montré que la quantité d'électricité produite par ces bactéries pouvait varier en fonction de la densité et de l'alignement avec lequel elles sont tassées, de sorte que les plus tassées les unes contre les autres, plus ils produisent d'électricité. Grâce à l’impression 3D, il a été possible de les assembler de manière à multiplier par huit leur activité de production d’électricité par rapport aux cyanobactéries coulées à l’aide d’une pipette de laboratoire.
Récemment, quelques chercheurs ont des cellules bactériennes imprimées en 3D selon différentes configurations géométriques, mais Mannoor et Joshi, ainsi que la co-auteure, Ellexis Cook, sont non seulement les premiers à la configurer pour augmenter leur comportement de génération d'électricité, mais aussi à intégrer développer une architecture bionique fonctionnelle.
"Grâce à ces travaux, nous pouvons imaginer d’énormes possibilités pour les applications bio-hybrides de prochaine génération", a déclaré Mannoor. "Par exemple, certaines bactéries peuvent briller, alors que d'autres détectent des toxines ou produisent du carburant. En intégrant ces microbes à des nanomatériaux, nous pourrions potentiellement réaliser de nombreux autres bio-hybrides de concepteurs étonnants pour l'environnement, la défense, la santé et bien d'autres."
Explorer plus loin:
Des cyanobactéries vivant à 600 mètres sous terre sans lumière solaire
Plus d'information:
"Nanobionique bactérienne via l'impression 3D" Nano Lettres (2018). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.8b02642
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