基于碳纳米管的近红外成像和活体生物光伏技术

        瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员利用近日利用结合了生物和非生物优势的“纳米生物”技术，成功将人造纳米材料单壁碳纳米管(SWCNTs)与生物结构（蓝藻活细胞）相连接，有望提高生物光伏的发电性能。该成果以“Carbon nanotube uptake in cyanobacteria for near-infrared imaging and enhanced bioelectricity generation in living photovoltaics”一文发表在 Nature Nanotechnology 。

       EPFL 基础科学学院教授、团队负责人 Ardemis Boghossian表示，虽然将SWCNTs放入细菌中看起来似乎并不令人兴奋，但却是生物光伏技术发展的重要一步。

       将SWCNTs植入其中后，细菌可以产生能量。而且，细胞生长和分裂的实时近红外监测显示，这些纳米管会遗传到下一代。尽管生物光伏还有很长的路要走，有许多问题需要解决，但是Ardemis Boghossian认为细菌发电在未来具有非常广阔的应用前景。

图 注入纳米粒子的捕光细菌可以在“活体光伏电池”中产生电能

       在这之前，学术界的研究人员一直将纳米管植入哺乳动物细胞内，因为这类细胞具有内吞作用等机制，在实验操作上要容易一些。但细菌不具备这些机制，而且在其外部还有坚硬的荚膜更是阻止纳米管进入的一大挑战。尽管阻碍重重，Boghossian 团队还是想方设法实现了这一目标。该研究在应用方面具有非凡的意义。

       多年来，团队研究重点是将人造纳米材料与包括活细胞在内的生物结构相结合，他们一直致力于单壁碳纳米管的纳米材料应用。SWCNT由一层以圆柱形排列的单层石墨组成，具有其他纳米管所不具备的某些机械和光学性质。

       这些特性使 SWCNTs 成为纳米生物技术领域许多新应用的理想选择。比如，它以经被放置在哺乳动物细胞内，以使用近红外成像监测细胞的新陈代谢，同时也促进了将治疗药物输送到其细胞内靶标的新技术的发展。而在植物细胞中，SWCNTs已被用于基因组编辑。SWCNTs也被植入活体小鼠体内，以验证它们能够对动物体内深处的生物组织进行成像。

       据文章报道，Boghossian 的团队及其国际同事能够通过用带正电荷的蛋白质（这些蛋白质被细菌外膜的负电荷所吸引）“装饰”SWCNT来“说服”细菌将它们自发吸收。

       该研究利用了两种蓝藻门的细菌，分别是集胞藻属和念珠菌属，它们可以像植物那样通过光合作用获取能量。它们也属于革兰氏阴性菌，这意味着它们的细胞壁很薄，并且还具有革兰氏阳性菌所不具备的的外膜。

       研究人员观察到，蓝藻通过被动、长度依赖性和选择性过程“吸收”了 SWCNT 。SWCNTs 可通过该过程自发地穿透集胞藻和念珠菌的细胞壁。有趣的是，纳米管植入蓝藻后，当细胞分裂时，纳米管会留在子代细胞。在此之后，该团队将纳米管应用于对蓝藻进行成像——就像在哺乳动物细胞发挥的作用一样。“我们首创了一个定制设备，能够对从细菌内部的纳米管中获得的特殊近红外荧光进行成像”，Boghossian 说。

       Boghossian 实验室的团队成员 Alessandra Antonucci 补充道，细菌内部的纳米管可以被清楚地观察到，即使细菌本身也同时发光。原因是纳米管的发光波长处在近红外波段。该信号非常清晰、稳定，这是任何其他纳米颗粒传感器都无法比拟的。

       通过纳米管来观察细胞内部的发生情况，这令研究人员很兴奋。因为这些细胞如果使用传统的粒子或蛋白质难以成像。而纳米管发出的光是天然生物材料所不具备的，遂使得其在这些细胞中脱颖而出。

       团队能够通过实时监测细菌来跟踪细胞的生长和分裂，他们发现，微生物分裂的子细胞能够共享 SWCNT。也就是说，当细菌分裂时，子细胞会继承纳米管以及其特性。Boghossian 将其称其为‘遗传纳米仿生学’。“这就像一个假肢，可以赋予你超出自然限度的能力。想象一下，你的孩子在出生时可以从你那里继承某些特殊属性。我们不仅赋予细菌这种能力，而且也被它们的后代遗传。这是遗传纳米生物的首次演示。”

       “另一个有趣的现象是，将纳米管放入细菌体内时，细菌在光照下产生的电能显着增强，”Boghossian 小组的博士后 Melania Reggente 讲到。“因此，实验室现在正致力于将这些纳米仿生细菌用于生物光伏发电。”

       生物光伏是一种利用光合微生物产生生物能量的装置。尽管目前仍处于开发的早期阶段，但团队的研究成果有望为能源危机和应对气候变化提供解决方案。

       Boghossian称，光伏行业尽管作为绿色能源，但是有一个劣势就是碳排放过高。大量二氧化碳的排放只是为了制造大多数标准的光伏产品。然而光合作用的优势不止在于它利用太阳能，而且它不会增加碳排放。它不仅不会释放，还会吸收二氧化碳。所以它同时解决了两个问题：太阳能转换和二氧化碳封存。重要的是，这些太阳能电池是有生命的，不需要工厂来制造每个单独的细菌细胞，这些细菌会自动吸收二氧化碳实现自我复制。

       Boghossian 设想了一种基于蓝藻的生物光伏设备，该设备可以自动控制不依赖添加外来颗粒的电力生产。

       “在实施方面，现在的瓶颈是将纳米管大规模放入蓝藻体内的成本和环境影响。”基于此，Boghossian 和她的团队正在探究合成生物学的解决办法。

       “我们的实验室现在正致力于生物工程蓝藻，它可以在不需要纳米颗粒添加剂的情况下发电。合成生物学的进步使我们能够重新编程这些细胞，使其以完全人工的方式表现。我们可以对它们进行工程改造，使发电这一功能存在于它们的 DNA 中。”