پرینتر سه بعدی و سیانوباکتری‌ها روشی برای تولید برق تحت پوشش قارچ بیونیک

محققان موسسه فناوری استیونس، قارچ‌های بیونیکی را توسعه داده‌اند که از گرافن برای تولید برق استفاده می‌کنند. به طور دقیق‌تر می‌توان گفت، محققان گروه‌هایی از سیانوباکتری‌ها را به کلاهک قارچ‌ها اضافه کردند که قارچ را قادر به تولید برق می‌کند. آن‌ها هم‌چنین از نانوریبون گرافن برای هدایت جریان برق استفاده می‌کنند. توانایی شگفت‌انگیز سیانوباکتری‌ها در تولید برق در بخش مهندسی زیستی شناخته شده است. پرینتر سه بعدی و سیانوباکتری‌ها روشی برای تولید برق تحت پوشش قارچ بیونیک مطرح می‌شود.

مشکل محققان در استفاده از سیانوباکتری‌ها 

با این حال، محققان، در استفاده از این میکروب‌ها در سیستم‌های مهندسی زیستی محدود عمل می‌کنند چرا که سیانوباکتری‌ها با زیست سازگار مصنوعی به مدت طولانی نمی‌توانند زنده بمانند.

Mannoor و Sudeep Joshi، یک متخصص مدیترانه‌ای در آزمایشگاه خود، در این باره تحقیق کرد که آیا قارچ که به طور طبیعی میزبان مجموعه‌ی وسیعی از باکتری‌ها است می‌تواند محیط مناسبی برای باکتری‌ها فراهم کند مواردی مانند مواد مغذی، رطوبت، دما و pH مناسب، به گونه‌ای که بتواند طی یک دوره‌ی طولانی برق تولید کند؟

پرینتر سه بعدی و سیانوباکتری‌ها روشی برای تولید برق تحت پوشش قارچ بیونیک

مانو مانور، استادیار مهندسی مکانیک در استیونز، گفت: “در این مورد، سیستم ما (قارچ بیونیک) برق تولید می کند.” با یکپارچه‌سازی سیانوباکتریایی‌هایی که می‌توانند برق تولید کنند، با مواد نانومقیاس قادر به جمع‌آوری جریان برق هستند، ما توانستیم به خواص منحصر‌به‌فرد هر دو، دسترسی به آنها را افزایش دهیم و یک سیستم کاملا کاربردی جدید بیونیکی را ایجاد کنیم. “

مقایسه‌ی سلول‌های سیانوباکتری در حالت معمول و آزمایش

Mannoor و Joshi نشان دادند که سلول‌های سیانوباکتری، زمانی‌که بر روی کلاهک قارچ بیونیک قرار دارند، نسبت به حالت معمولی مدت بیشتری زنده می مانند که سلول‌های سیانو باکتری چندین روز طول می‌کشد، در حالی‌که در قوطی یک قارچ دکمه‌ای سفید در برابر یک سیلیکون و قارچ مرطوب به عنوان کنترل مناسب قرار می‌گیرند.

جزییاتی از تحقیقات صورت گرفته

قارچ‌ها، بستری برای رشد سیانوباکتری‌ها 

جاش می‌گوید: “قارچ‌ها اساسا به عنوان بستری برای محیط مناسبی با عملکرد پیشرفته‌ی تولید تغذیه‌ و انرژی سیانوباکتری‌ها عمل می‌کند. ما برای اولین بار نشان دادیم که یک سیستم ترکیبی می‌تواند یک همکاری مصنوعی یا همزیستی طراحی شده را بین دو قلمروی مختلف میکروبیولوژیکی را ترکیب کند.” برای توسعه‌ی قارچ بیونیک خود، Mannoor و Joshi، از یک بازوی رباتیک حاصل از چاپگر سه بعدی برای اولین پرینت ” جوهر الکترونیکی ” استفاده کردند که حاوی نانوریبون‌های گرافنی می‌باشد.

شبکه‌ی منشعب پرینت شده بالای کلاهک قارچ

این شبکه‌ی منشعب پرینت شده به عنوان یک شبکه ی الکترونیکی بالای کلاهک قارچ عمل می‌کند و فعالیتی شبیه به نانوپروب دارد و تا به بیوالکترون‌های جمع شده داخل سلول‌های سیانوباکتریایی دسترسی بیابند.

ایجاد جریان فوتونی در قارچ

Mannoor توضیح می‌دهد که سوزن‌ها در یک سلول تک‌سلولی برای دسترسی به سیگنال‌های الکتریکی درون آن قرار دارند. سپس، آن‌ها یک “بیو جوهر” حاوی سیانوباکتریایی را بر روی کلاهک قارچ در یک مدل مارپیچی متقاطع با جوهر الکترونیکی در چندین نقطه تماس چاپ کردند. در این مکان‌ها، الکترون‌ها می‌توانند از طریق غشای خارجی سیانوباکتری‌ها به شبکه رسانای نانوروبن گرافین منتقل شوند. درخشش نور بر روی فتوسنتز فعال سینو باکتریایی در قارچ، ایجاد جریان فوتونی است.

افزایش فعالیت سیانوباکتری‌ها 

علاوه بر زیستن سیانوباکتری‌ها در حالت هم‌زیستی طراحی شده، مانور و جشی، نشان دادند که مقدار الکتریکی که این باکتری‌ها تولید می کنند می‌تواند متنوع باشد بسته به چگالی و هم‌ترازی با اینکه آن‌ها بسته هستند به طوری که هرچه آنها با هم جمع می‌شوند، برق بیشتری تولید می کنند. از طریق چاپ سه بعدی، آن‌ها توانستند آن‌ها را جمع کنند تا فعالیت الکتریکی خود را هشت برابر بیشتر از سیانوباکتری‌های ریخته شده با استفاده از یک پیپت آزمایشگاهی افزایش دهند.

فرصت‌هایی برای آینده

مانور می‌گوید: “با استفاده از این کار، می‌توانیم فرصت‌های بسیار زیادی را برای برنامه‌های بیوهیبرید نسل بعدی تصور کنیم. به عنوان مثال، برخی از باکتری‌ها می‌توانند گرما داشته باشند، در حالی‌که برخی دیگر ترکیبات سمی را تولید کنند و یا سوخت تولید کنند. با ادغام یکپارچه‌ی این میکروب‌ها با نانومواد، ما می‌توانیم به طور بالقوه به بیشتر طراحی‌های شگفت‌انگیز بیوهیدریدی برای محیط زیست، دفاع، مراقبت‌های بهداشتی و بسیاری زمینه‌های دیگر پی ببریم.”