當科技世界里高大上的“奇跡材料”——石墨烯遇上隨處可見的藍藻，兩者會迸發(fā)出怎樣的火花呢？答案或許很難被猜到——一個會發(fā)電的仿生蘑菇。
這聽起來像是“愛麗絲夢游仙境”中的奇幻故事，但由此產(chǎn)生的技術融合信息卻對科學家們深入了解細胞生物機制以及改善醫(yī)療技術等產(chǎn)生了實實在在的推動作用。
近日，美國史蒂文斯理工學院的研究人員在《納米快報》（Nano Letters）上，報道了藍藻細胞與石墨烯納米帶在白色紐扣蘑菇上的無縫融合。研究人員通過整合能夠產(chǎn)生電能的藍藻和能夠收集電流的納米級材料，成功創(chuàng)建出一個全新的功能性仿生系統(tǒng)，從而架起了三維空間中微生物王國（藍藻和蘑菇）與智能電子納米材料（石墨烯納米帶）之間溝通的橋梁。
研究人員們深信，這種被他們稱之為“細菌納米仿生學”的方法將會促進下一代專門設計的“生物混合”功能結(jié)構的開發(fā)，使其在傳感器和“智能”水凝膠材料領域開拓出更為廣闊的應用前景。
為藍藻延壽命
藍藻又名藍綠藻、藍細菌，是一類進化歷史悠久、能進行產(chǎn)氧性光合作用的大型單細胞原核生物。藍藻廣泛分布于自然界，包括各種水體、土壤和部分生物體內(nèi)外，甚至在巖石表面以及其他惡劣環(huán)境如高溫、低溫、鹽湖、荒漠和冰原中都可以找到它們的蹤跡，有著“先鋒生物”的美稱。
藍藻的功勞有目共睹：它是最早的光合放氧生物，其對推動地球表面從無氧大氣環(huán)境向有氧環(huán)境轉(zhuǎn)變起到了巨大作用。另外，不少藍藻可以直接固定大氣中的氮，從而提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量。
而在生物工程領域中，藍藻的發(fā)電能力更是眾所周知，并且兼具廉價、易獲取、有益于環(huán)境等顯著優(yōu)勢。然而，研究人員在生物工程系統(tǒng)中使用這些微生物時卻受到了限制——藍藻在人工生物兼容界面上存活的時間并不長，可以說極短的生命周期限制了它在電力領域的進一步應用。
因此，要想充分發(fā)掘藍藻的發(fā)電潛能，首先就要克服其壽命短暫的“軟肋”。于是，研究人員開始將目光鎖定在天然的生物相容表面——美麗的白色紐扣蘑菇因此進入他們的視野。
白色紐扣蘑菇擁有豐富的微生物種群，但卻不包含藍藻。于是研究人員試圖弄清這種蘑菇能否為藍藻提供一個適合的生存環(huán)境——營養(yǎng)、水分、pH和溫度，從而讓藍藻能夠長時間發(fā)電。
功夫不負有心人。進一步的研究顯示，這些紐扣蘑菇能夠起到滋養(yǎng)作用，從而實現(xiàn)不同種微生物的共生——尤其是與硅膠和已采摘下來的蘑菇相比，藍藻能夠在活體白色紐扣蘑菇的表面多存活幾天。
“從本質(zhì)上來講，蘑菇是一種非常適宜的環(huán)境基質(zhì)，能夠促進藍藻制造能量。我們首次證實了一個混合型系統(tǒng)能夠在兩個不同微生物之間進行共生設計，并可以制造出電能。”此項研究的共同作者、史蒂文斯理工學院博士后研究員Sudeep Joshi表示。
兩種打印墨水
接下來，研究人員要做的就是施展“魔法”，將藍藻、蘑菇以及石墨烯納米帶這三種元素結(jié)合起來。
首先，研究人員使用基于機械手臂的3D打印機，打印出包含石墨烯納米帶的“電子墨水”。這種打印分支網(wǎng)絡可以作為蘑菇蓋頂部的電子收集網(wǎng)絡，其作用就像納米探針一樣，負責連接藍藻產(chǎn)生的生物電子。
涂抹好“電子墨水”之后，研究人員再在白色紐扣蘑菇的表層涂上一層3D打印的包含藍藻的“生物墨水”，讓呈螺旋狀的“生物墨水”與“電子墨水”通過多個接觸點結(jié)合在一起。
“這些石墨烯納米帶與藍藻細胞的外膜形成了大量的直接物理連接位點，想象一下，就像探針插入每一個細菌細胞內(nèi)來獲取它內(nèi)部的電信號。”Joshi解釋說。
之后的一切變得水到渠成：當光照射在覆蓋著石墨烯納米帶的蘑菇菌冠上時，藍藻細胞開始進行光合作用，電子在水分子分解期間作為副產(chǎn)物被釋放出來。與此同時，附著于藍藻上的石墨烯納米帶充當導電網(wǎng)絡，將這些電子轉(zhuǎn)移到電化學電池裝置的外部電路中。
除了藍藻能夠較長時間存活于這個共生設計環(huán)境之外，史蒂文斯理工學院機械工程學副教授Manu Mannoor還發(fā)現(xiàn)，藍藻產(chǎn)生的電流數(shù)量取決于它們的排列密度：藍藻越密集，產(chǎn)生的電能就越多，通過3D打印技術就能將它們有效地組合起來，使其產(chǎn)生的電流強度達到實驗室吸液管中藍藻的8倍。
其實早在這之前，以藍藻作為墨水用來發(fā)電的創(chuàng)意就已經(jīng)誕生。
2017年，英國研究人員曾將藍藻當作墨水，使用一種普通的噴墨打印機將它打印到導電碳納米管上，然后再將這些碳納米管噴墨打印到一張紙上來蝕刻出簡單的電池。這些細菌在這一過程中幸存下來，并且能夠在白天黑夜的循環(huán)中連續(xù)供應電能達到100小時，從而消除了傳統(tǒng)太陽能電池對于太陽光的依賴。
然而，利用藍藻或者藻類將光線轉(zhuǎn)變成電能的生物太陽能電池技術并未真正獲得利用，成本、低輸出和短壽命等都成為阻礙這項技術走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用的絆腳石。
前途無限光明
仿生學是指科學家們研究生物體結(jié)構與功能工作的原理，然后根據(jù)這些原理發(fā)明出新的設備、工具和科技，創(chuàng)造出適用于生產(chǎn)、生活和學習的先進技術，它是連接生物與技術的橋梁。
史蒂文斯理工學院的研究人員對3D打印細菌仿生技術的未來充滿信心。
“這項工作可能成為下一代生物混合應用的巨大機遇，比如一些細菌可以發(fā)光，而另一些細菌能夠探測到毒素或者制造燃料。通過這些微生物與納米材料的完美結(jié)合，我們會發(fā)現(xiàn)許多令人驚嘆的生物混合設計，繼而用于環(huán)境、防御、醫(yī)療和其他領域。”Mannoor表示。
除此之外，“我們相信，我們目前研究開發(fā)出的技術也可以擴展到利用智能水凝膠材料3D打印其他細菌菌落上，以推進仿生集成研究。此外，我們設想能否利用這種3D打印‘細菌納米仿生學’方法以復雜的排列方法組織不同菌種，來研究影響其他細菌社會行為（如生物發(fā)光和感知毒性）的空間和環(huán)境參數(shù)”， Joshi如是說。
在這些方面，Joshi和他的同事將繼續(xù)把他們的方法應用于監(jiān)測和操縱其他菌種的空間幾何特征和種群密度上。具體而言，他們將重點關注存在于人類內(nèi)臟、皮膚、腸道和口腔中的微生物群。
“這些微生物群中的種群密度與個體的健康和福祉息息相關。我們特別期待有朝一日可以通過‘細菌納米仿生學’來改造人體的微生物群，從而為人類保駕護航。”Joshi最后補充說。■