Champignon en bouton blanc équipé de nanorubans de graphène imprimés en 3D (noir), qui collectent l'électricité générée par des cyanobactéries imprimées en 3D densément emballées (vert) Crédit :Sudeep Joshi, Institut de technologie Stevens
Dans leur dernier exploit d'ingénierie, des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont pris un champignon de Paris blanc ordinaire dans une épicerie et l'ont rendu bionique, le surcharger avec des amas de cyanobactéries imprimés en 3D qui génèrent de l'électricité et des tourbillons de nanorubans de graphène qui peuvent collecter le courant.
L'oeuvre, rapporté dans le numéro du 7 novembre de Lettres nano , peut ressembler à quelque chose tout droit sorti d'Alice au pays des merveilles, mais les hybrides font partie d'un effort plus large pour mieux comprendre la machinerie biologique des cellules et comment 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 adjoint de génie mécanique à Stevens. « En intégrant des cyanobactéries capables de produire de l'électricité, avec des matériaux nanométriques capables de capter le courant, nous avons pu mieux accéder aux propriétés uniques des deux, les augmenter, et créer un tout nouveau système bionique fonctionnel."
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 bio-ingénierie parce que les cyanobactéries ne survivent pas longtemps sur des surfaces artificielles biocompatibles. Mannoor et Sudeep Joshi, un stagiaire postdoctoral dans son laboratoire, je me demandais si les champignons de Paris blancs, qui hébergent naturellement un microbiote riche mais pas spécifiquement les cyanobactéries, pourrait fournir le bon environnement - nutriments, humidité, pH et température - pour que les cyanobactéries produisent de l'électricité pendant 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 de Paris par rapport à un silicone et un champignon mort comme témoins appropriés. "Les champignons servent essentiellement de substrat environnemental approprié avec une fonctionnalité avancée pour nourrir les cyanobactéries productrices d'énergie, " dit 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 emballées (vertes) obtenues via l'impression 3D augmentent le comportement de génération d'électricité. Crédit :Sudeep Joshi, Institut de technologie Stevens
Mannoor et Joshi ont utilisé une imprimante 3D à bras robotique pour imprimer d'abord une « encre électronique » contenant les nanorubans de graphène. Ce réseau ramifié imprimé sert de réseau de collecte d'électricité au sommet du chapeau du champignon en agissant comme une nano-sonde pour accéder aux bio-électrons générés à l'intérieur des cellules cyanobactériennes. Imaginez que des aiguilles s'enfoncent dans une seule cellule pour accéder aux signaux électriques à l'intérieur, explique Mannoor.
Prochain, ils ont imprimé une « encre biologique » contenant des cyanobactéries sur le chapeau du champignon dans un motif en spirale coupant l'encre électronique à plusieurs points de contact. A ces endroits, les électrons pourraient être transférés à travers les membranes externes des cyanobactéries vers le réseau conducteur de nanorubans de graphène. Mettre en lumière les champignons qui ont activé la photosynthèse cyanobactérienne, générer 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 peut varier en fonction de la densité et de l'alignement avec lesquels elles sont emballées, de telle sorte que plus ils sont densément emballés ensemble, plus ils produisent d'électricité. Avec l'impression 3D, il a été possible de les assembler de manière à décupler leur activité de production d'électricité huit fois plus que les cyanobactéries coulées à l'aide d'une pipette de laboratoire.
Récemment, quelques chercheurs ont imprimé en 3D des cellules bactériennes dans différents motifs géométriques spatiaux, mais Mannoor et Joshi, ainsi que co-auteur Ellexis Cook, ne sont pas seulement les premiers à le modéliser pour augmenter leur comportement de génération d'électricité, mais aussi à l'intégrer pour développer une architecture bionique fonctionnelle.
"Avec ce travail, nous pouvons imaginer d'énormes opportunités pour les applications bio-hybrides de nouvelle génération, " Mannoor dit. "Par exemple, certaines bactéries peuvent briller, tandis que d'autres détectent des toxines ou produisent du carburant. En intégrant de manière transparente ces microbes aux nanomatériaux, nous pourrions potentiellement réaliser de nombreux autres bio-hybrides de créateurs étonnants pour l'environnement, la défense, la santé et bien d'autres domaines."
