Champignons die mit 3D-bedruckten Cyanobakterien bedeckt sind produzieren Bioelektrizität

Forscher am Stevens Institute of Technology haben bionische Pilze entwickelt, die Graphen zur Stromerzeugung verwenden. Genauer gesagt, fügten die Forscher der Kappe des Pilzes dreidimensionale Cluster von Cyanobakterien hinzu, die den Pilzen die Möglichkeit gaben, Strom zu erzeugen. Sie fügten auch Graphen-Nanobänder ein, um den Strom zu sammeln.

Die Fähigkeit von Cyanobakterien zur Erzeugung von Elektrizität ist in der Biotechnologie bekannt. Bei der Verwendung dieser Mikroben in biotechnischen Systemen waren die Forscher jedoch eingeschränkt, da Cyanobakterien auf künstlichen biokompatiblen Oberflächen nicht lange überleben. Mannoor und Sudeep Joshi, ein Postdoktorand in seinem Labor, fragten sich, ob weiße Champignons, die von Natur aus eine reiche Mikrobiota haben, aber keine speziellen Cyanobakterien enthalten, die richtige Umgebung für die Erzeugung von Elektrizität liefern können – Nährstoffe, Feuchtigkeit, pH-Wert und Temperatur für einen längeren Zeitraum.

“In diesem Fall produziert unser System – dieser bionische Pilz – Strom”, sagte Manu Mannoor, Assistenzprofessor für Maschinenbau bei Stevens. “Durch die Integration von Cyanobakterien, mit nanoskaligen Materialien, die den Strom erzeugen können, konnten wir die einzigartigen Eigenschaften beider Systeme besser nutzen, sie erweitern und ein völlig neues funktionales bionisches System schaffen.”

Mannoor und Joshi zeigten, dass die Cyanobakterienzellen mehrere Tage länger anhielten, wenn sie auf die Kappe eines weißen Champignons gesetzt wurden, verglichen mit einem Silikon und einem toten Pilz als geeignete Kontrollen. „Die Pilze dienen im Wesentlichen als ein geeignetes Substrat für die Umwelt mit fortschrittlicher Funktionalität zur Ernährung der energieerzeugenden Cyanobakterien“, sagt Joshi. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass ein Hybridsystem eine künstliche Zusammenarbeit oder konstruierte Symbiose zwischen zwei verschiedenen mikrobiologischen Reichen einbeziehen kann.“

Mannoor und Joshi verwendeten einen robotergestützten 3D-Drucker, um zuerst eine “elektronische Tinte” zu drucken, die die Graphen-Nanobänder enthielt. Dieses gedruckte verzweigte Netzwerk dient als Stromsammelnetzwerk auf der Pilzkappe, indem es wie eine Nanosonde wirkt, um auf die in den Cyanobakterienzellen erzeugten Bioelektronen zuzugreifen. Stellen Sie sich vor, Nadeln stecken in einer einzelnen Zelle, um auf elektrische Signale in ihr zuzugreifen, erklärt Mannoor.

Als Nächstes druckten sie eine “Bio-Tinte”, die Cyanobakterien enthielt, in einem Spiralmuster auf die Pilzkappe, das sich an mehreren Kontaktpunkten mit der elektronischen Tinte kreuzte. An diesen Stellen könnten Elektronen durch die äußeren Membranen der Cyanobakterien in das leitfähige Netzwerk von Graphen-Nanobändern übergehen. Durch die Beleuchtung der Pilze wird die Photosynthese der Cyanobakterien aktiviert und ein Strom erzeugt.

Zusätzlich zu den Cyanobakterien, die länger in einer konstruierten Symbiose leben, haben Mannoor und Joshi gezeigt, dass die Menge an Elektrizität, die diese Bakterien produzieren, abhängig von der Dichte und der Ausrichtung, mit der sie gepackt werden, variieren kann. Je dichter sie gepackt werden desto mehr Strom produzieren sie. Mit dem 3D-Druck war es möglich, sie so zusammenzubauen, dass ihre Stromerzeugungsaktivität mit einer Laborpipette um das Achtfache gegenüber den gegossenen Cyanobakterien gesteigert wurde.

Vor kurzem haben einige Forscher 3D-gedruckte Bakterienzellen in unterschiedlichen räumlichen geometrischen Mustern erstellt. Aber Mannoor und Joshi sowie Co-Autorin Ellexis Cook sind nicht nur die ersten, die Muster erzeugen, um ihr Stromerzeugungsverhalten zu verstärken, sondern integrieren es auch eine funktionelle bionische Architektur entwickeln.

„Mit dieser Arbeit können wir uns enorme Möglichkeiten für Bio-Hybrid-Anwendungen der nächsten Generation vorstellen“, sagt Mannoor. „Einige Bakterien können zum Beispiel leuchten, während andere Giftstoffe wahrnehmen oder Kraftstoff produzieren. Durch die nahtlose Integration dieser Mikroben in Nanomaterialien könnten wir viele andere erstaunliche Designer-Bio-Hybride für Umwelt, Verteidigung, Gesundheitswesen und viele andere Bereiche realisieren.“