"Wir haben Nanoröhren im Inneren von Bakterien platziert", erklärt Professorin Ardemis Boghossian von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften an der EPFL. "Auf den ersten Blick sieht das nicht sehr interessant aus, aber in Wirklichkeit ist es eine echte Meisterleistung. Die Forscherinnen und Forscher haben Nanoröhren in Säugetierzellen platziert, die Mechanismen wie die Endozytose nutzen, die für diese Zelltypen spezifisch sind. Bakterien hingegen verfügen nicht über solche Mechanismen und haben andere Schwierigkeiten, die Partikel durch ihre widerstandsfähige Aussenwand zu schleusen. Trotz dieser Hindernisse ist es uns gelungen, und das hat sehr interessante Auswirkungen auf die Anwendungen".
Ardemis Boghossians Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Grenzfläche zwischen künstlichen Nanomaterialien und biologischen Konstrukten, darunter lebende Zellen. Die dabei entstehenden "nanobionischen" Technologien vereinen die Vorteile der lebenden und der künstlichen Welt. Seit Jahren arbeitet sein Team an Nanomaterialanwendungen von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), Röhren aus Kohlenstoffatomen mit interessanten mechanischen und optischen Eigenschaften.
Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sich SWCNTs hervorragend für viele innovative Anwendungen im Bereich der Nanobiotechnologie. Beispielsweise wurden SWCNTs in Säugetierzellen eingebracht, um deren Stoffwechsel mithilfe von Nahinfrarot-Bildgebung zu überwachen. Die Insertion von SWCNTs in Säugetierzellen hat auch zu neuen Technologien für die Verabreichung therapeutischer Medikamente an ihre intrazellulären Ziele geführt, während sie in Pflanzenzellen für die Genom-Editierung verwendet wurden. SWCNTs wurden auch in lebende Mäuse implantiert, um ihre Fähigkeit zu demonstrieren, biologisches Gewebe im Körperinneren darzustellen.
Fluoreszierende Nanoröhren in Bakterien: eine Premiere
In einem in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Artikel konnten das Team um Ardemis Boghossian und seine Kollegen aus aller Welt Bakterien dazu "überreden", SWCNTs spontan anzunehmen, indem sie sie mit positiv geladenen Proteinen "verzierten", die von der negativen Ladung der äusseren Membran der Bakterien angezogen wurden. Die beiden untersuchten Bakterienarten, Synechocystis und Nostoc, gehören zu einer riesigen Gruppe von Bakterien, den Cyanobakterien, die ihre Energie durch Photosynthese gewinnen - wie die Pflanzen. Sie sind ausserdem "gram-negativ", was bedeutet, dass ihre Zellwand dünn ist, und sie haben eine zusätzliche äussere Membran, die "gram-positive" Bakterien nicht haben.
Die Forscherinnen und Forscher beobachteten, dass die Cyanobakterien die SWCNTs durch einen passiven, selektiven und längenabhängigen Prozess verinnerlichten. Dieser Prozess ermöglichte es den SWCNTs, spontan in die Zellwände sowohl der einzelligen Synechocystis-Bakterien als auch der langen, mehrzelligen, schlangenförmigen Nostoc-Bakterien einzudringen.
Nach diesem Erfolg wollte das Team herausfinden, ob die Nanoröhren auch zur Darstellung von Cyanobakterien verwendet werden könnten - wie es bei Säugetierzellen der Fall ist. "Wir haben eine massgeschneiderte Konfiguration erstellt, die erste ihrer Art, mit der wir die spezielle Fluoreszenz im nahen Infrarotbereich darstellen konnten, die wir mit unseren Nanoröhrchen im Inneren der Bakterien erzielt haben", erklärt Ardemis Boghossian.
Alessandra Antonucci, eine ehemalige Doktorandin in Ardemis Boghossians Labor, fügt hinzu: "Wenn sich die Nanoröhren in den Bakterien befinden, kann man sie deutlich sehen, obwohl die Bakterien ihr eigenes Licht ausstrahlen. Das liegt daran, dass die Wellenlängen der Nanoröhren weit im roten, nahen Infrarotbereich liegen. Sie erhalten ein sehr klares und stabiles Signal von den Nanoröhren, das Sie mit keinem anderen Nanopartikelsensor bekommen können. Wir sind begeistert, weil wir jetzt Nanoröhren verwenden können, um zu sehen, was in den Zellen vor sich geht, die mit herkömmlicheren Partikeln oder Proteinen nur schwer darstellbar waren. Die Nanoröhren senden Licht aus, was kein natürliches lebendes Material tun kann, nicht bei diesen Wellenlängen, und das macht es wirklich möglich, die Nanoröhren in diesen Zellen zu unterscheiden."
"Vererbte Nanobionik"
Die Wissenschaftler konnten das Wachstum und die Teilung der Zellen verfolgen, indem sie die Bakterien in Echtzeit überwachten. Ihre Entdeckungen zeigten, dass die SWCNTs von den Tochterzellen der teilenden Mikrobe geteilt wurden. "Wenn sich die Bakterien teilen, erben die Tochterzellen die Nanoröhren sowie die Eigenschaften der Nanoröhren", erklärt Ardemis Boghossian. "Wir nennen das vererbte Nanobionik. Es ist, als hätte man ein künstliches Körperglied, das einem Fähigkeiten verleiht, die über das hinausgehen, was man von Natur aus haben kann. Und nun stellen Sie sich vor, dass Ihre Kinder diese Eigenschaften von Ihnen bei ihrer Geburt erben können. Wir haben nicht nur den Bakterien dieses künstliche Verhalten verliehen, sondern auch ihre Nachkommen erben dieses Verhalten. Dies ist unsere erste Demonstration der vererbten Nanobionik".
Lebende Photovoltaik
"Ein weiterer interessanter Aspekt ist, dass, wenn wir die Nanoröhren im Inneren der Bakterien platzieren, diese eine deutliche Verbesserung ihrer Stromproduktion zeigen, wenn sie mit Licht beleuchtet werden", sagt Melania Reggente, Postdoktorandin in der Gruppe von Ardemis Boghossian. "Unser Labor arbeitet nun an der Möglichkeit, diese nanobionischen Bakterien in einer lebenden Photovoltaik zu verwenden."
Lebende Photovoltaikanlagen sind biologische Geräte zur Energieerzeugung, die photosynthetische Mikroorganismen nutzen. Obwohl sich diese Geräte noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, stellen sie eine echte Lösung für die aktuelle Energiekrise und den Kampf gegen den Klimawandel dar.
"Die Photovoltaik-Gemeinschaft hütet ein unaussprechliches Geheimnis", sagt Ardemis Boghossian. "Es handelt sich um grüne Energie, aber der CO2-Fussabdruck ist sehr hoch; allein bei der Herstellung der herkömmlichen Photovoltaikmodule wird eine grosse Menge CO2 freigesetzt. Das Interessante an der Photosynthese ist jedoch, dass sie nicht nur die Sonnenenergie nutzt, sondern auch einen negativen CO2-Fussabdruck hat. Anstatt CO2 freizusetzen, absorbiert sie es. Sie löst also zwei Probleme: die Umwandlung von Sonnenenergie und die Bindung von CO2. Und diese Solarzellen sind lebendig. Man braucht keine Fabrik, um jede einzelne Bakterienzelle herzustellen; diese Bakterien sind selbstreproduzierend. Sie nehmen automatisch CO2 auf, um sich weiter zu vermehren. Das ist der Traum eines jeden Materialwissenschaftlers."
Ardemis Boghossian stellt sich eine lebende Photovoltaikanlage vor, die auf Cyanobakterien basiert, die eine automatische Kontrolle über die Stromerzeugung haben und nicht auf die Zugabe von Fremdpartikeln angewiesen sind. "In Bezug auf die Umsetzung besteht die Schwierigkeit derzeit in den Kosten und den Umweltauswirkungen der grossflächigen Einbringung von Nanoröhren in das Innere von Cyanobakterien."
Ardemis Boghossian und sein Team suchen nach Antworten auf diese Frage in der synthetischen Biologie: "Unser Labor erforscht derzeit das Bioengineering von Cyanobakterien, die ohne die Zugabe von Nanopartikeln Strom erzeugen können. Die Fortschritte in der synthetischen Biologie ermöglichen es uns, diese Zellen so umzuprogrammieren, dass sie sich völlig künstlich verhalten. Wir können sie so gestalten, dass die Stromerzeugung buchstäblich in ihrer DNA steckt".
Andere Mitwirkende
- Universität Freiburg
- Schweizerisches Zentrum für Elektronik und Mikrotechnik
- Universität des Salento
- Universität von Rom "La Sapienza".
Finanzierung
Schweizerischer Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNF)
Literatur
Alessandra Antonucci, Melania Reggente, Charlotte Roullier, Alice J. Gillen, Nils Schuergers, Vitalijs Zubkovs, Benjamin P. Lambert, Mohammed Mouhib, Elisabetta Carata, Luciana Dini, Ardemis A. Boghossian. Nature Nanotechnology 12 September 2022. DOI: 10.1038/s41565’022 -01198-x.
