當(dāng)科技世界里高大上的“奇跡材料”——石墨烯遇上隨處可見的藍(lán)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(shù)融合信息卻對科學(xué)家們深入了解細(xì)胞生物機(jī)制以及改善醫(yī)療技術(shù)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(xué)院的研究人員在《納米快報》（Nano Letters）上，報道了藍(lán)藻細(xì)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(lán)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(lán)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(xì)菌納米仿生學(xué)”的方法將會促進(jìn)下一代專門設(shè)計的“生物混合”功能結(jié)構(gòu)的開發(fā)，使其在傳感器和“智能”水凝膠材料領(lǐng)域開拓出更為廣闊的應(yīng)用前景。
為藍(lán)藻延壽命
藍(lán)藻又名藍(lán)綠藻、藍(lán)細(xì)菌，是一類進(jìn)化歷史悠久、能進(jìn)行產(chǎn)氧性光合作用的大型單細(xì)胞原核生物。藍(lán)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(lán)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(lán)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(lǐng)域中，藍(lán)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(lán)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(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
因此，要想充分發(fā)掘藍(lán)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(jìn)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(lán)藻。于是研究人員試圖弄清這種蘑菇能否為藍(lán)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(lán)藻能夠長時間發(fā)電。
功夫不負(fù)有心人。進(jìn)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(lán)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(jìn)藍(lán)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(jìn)行共生設(shè)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(xué)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(lán)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(jī)械手臂的3D打印機(jī)，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(luò)可以作為蘑菇蓋頂部的電子收集網(wǎng)絡(luò)，其作用就像納米探針一樣，負(fù)責(zé)連接藍(lán)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(lán)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(lán)藻細(xì)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(xì)菌細(xì)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(dāng)光照射在覆蓋著石墨烯納米帶的蘑菇菌冠上時，藍(lán)藻細(xì)胞開始進(jìn)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(lán)藻上的石墨烯納米帶充當(dāng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，將這些電子轉(zhuǎn)移到電化學(xué)電池裝置的外部電路中。
除了藍(lán)藻能夠較長時間存活于這個共生設(shè)計環(huán)境之外，史蒂文斯理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)副教授Manu Mannoor還發(fā)現(xiàn)，藍(lán)藻產(chǎn)生的電流數(shù)量取決于它們的排列密度：藍(lán)藻越密集，產(chǎn)生的電能就越多，通過3D打印技術(shù)就能將它們有效地組合起來，使其產(chǎn)生的電流強(qiáng)度達(dá)到實驗室吸液管中藍(lán)藻的8倍。
其實早在這之前，以藍(lán)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(lán)藻當(dāng)作墨水，使用一種普通的噴墨打印機(jī)將它打印到導(dǎo)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(xì)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(yīng)電能達(dá)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(lán)藻或者藻類將光線轉(zhuǎn)變成電能的生物太陽能電池技術(shù)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(shù)走向大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的絆腳石。
前途無限光明
仿生學(xué)是指科學(xué)家們研究生物體結(jié)構(gòu)與功能工作的原理，然后根據(jù)這些原理發(fā)明出新的設(shè)備、工具和科技，創(chuàng)造出適用于生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)的先進(jìn)技術(shù)，它是連接生物與技術(shù)的橋梁。
史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員對3D打印細(xì)菌仿生技術(shù)的未來充滿信心。
“這項工作可能成為下一代生物混合應(yīng)用的巨大機(jī)遇，比如一些細(xì)菌可以發(fā)光，而另一些細(xì)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(shè)計，繼而用于環(huán)境、防御、醫(yī)療和其他領(lǐng)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(shù)也可以擴(kuò)展到利用智能水凝膠材料3D打印其他細(xì)菌菌落上，以推進(jìn)仿生集成研究。此外，我們設(shè)想能否利用這種3D打印‘細(xì)菌納米仿生學(xué)’方法以復(fù)雜的排列方法組織不同菌種，來研究影響其他細(xì)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(yīng)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(guān)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(guān)。我們特別期待有朝一日可以通過‘細(xì)菌納米仿生學(xué)’來改造人體的微生物群，從而為人類保駕護(hù)航。”Joshi最后補充說。■