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人類社會正面臨著煤炭、石油、天然氣等能源枯竭的危機(jī)，清潔能源亟待開發(fā)。 太陽能，固然是地球上最豐富的可再生能源，但其利用的主要形式——光伏發(fā)電，即利用半導(dǎo)體材料將太陽能轉(zhuǎn)化為電能——卻不完美。部分光伏材料及其制造過程含有或涉及有毒有害元素、廢棄太陽能電池板總量大且難以回收；隨著太陽能光伏的不斷推廣使用，對環(huán)境的負(fù)面沖擊不可忽視。而為了制造光伏發(fā)電裝置所間接造成的碳足跡也不容小覷。 生物光伏（biophotovoltaics, BPV）為太陽能利用提供了一條生物學(xué)路徑。它使用含氧光自養(yǎng)生物（如藍(lán)藻）或其部分來收集光能并產(chǎn)生電力。光合作用不僅利用了太陽能，還具有負(fù)碳足跡，同時(shí)解決了太陽能轉(zhuǎn)換和二氧化碳封存兩個(gè)問題。BPV 有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽能發(fā)電技術(shù)。 盡管藍(lán)藻等光合微生物具有很高的光合效率，但產(chǎn)電活性很弱，BPV 系統(tǒng)的輸出功率目前仍然很低。 近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院的一組研究人員在這一領(lǐng)域取得一項(xiàng)突破——成功將人造納米材料與生物結(jié)構(gòu)（藍(lán)藻活細(xì)胞）連接，由此產(chǎn)生的“納米生物”技術(shù)結(jié)合了生物和非生物的優(yōu)勢，有望提高 BPV 的發(fā)電性能。 這一成果以“Carbon nanotube uptake in cyanobacteria for near-infrared imaging and enhanced bioelectricity generation in living photovoltaics”一文發(fā)表在 Nature Nanotechnology 期刊。 “將納米管放入細(xì)菌中，表面上看起來并不是很令人興奮，但這實(shí)際上是一件大事。”該文通訊作者、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院教授 Ardemis Boghossian 說。
▲圖 | Ardemis Boghossian（來源：[3]） 雖然還有很長的路要走，但 Ardemis Boghossian 正在展望細(xì)菌發(fā)電的潛在未來：“研究人員一直在將納米管放入哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，這些細(xì)胞具有內(nèi)吞作用等機(jī)制。但細(xì)菌沒有這些機(jī)制，并且在讓顆粒通過其堅(jiān)硬的外部時(shí)面臨著額外的挑戰(zhàn)。盡管存在這些障礙，我們還是設(shè)法做到了這一點(diǎn)，這在應(yīng)用方面非常令人興奮?！?/span> 多年來，Boghossian 團(tuán)隊(duì)一直致力于單壁碳納米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs，以下簡稱“納米管”）的納米材料應(yīng)用，SWCNT由一層以圓柱形排列的單層石墨組成，具有其他納米管所不具備的某些機(jī)械和光學(xué)性質(zhì)。 這些特性使該納米管成為納米生物技術(shù)領(lǐng)域許多新應(yīng)用的理想選擇。例如，它已被放置在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，以使用近紅外成像監(jiān)測其新陳代謝。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中插入納米管也導(dǎo)致了將治療藥物遞送到其細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)的新技術(shù)；而在植物細(xì)胞中，它們已被用于基因組編輯。納米管也被植入活體小鼠體內(nèi)，以證明它們能夠?qū)w內(nèi)深處的生物組織進(jìn)行成像。 在該研究中，Boghossian 的團(tuán)隊(duì)及其國際同事能夠通過用帶正電荷的蛋白質(zhì)（這些蛋白質(zhì)被細(xì)菌外膜的負(fù)電荷所吸引）“裝飾”細(xì)菌來“說服”細(xì)菌自發(fā)地吸收納米管。
該研究利用了兩種藍(lán)藻門的細(xì)菌，分別為 Synechocystis 和 Nostoc, 作為革蘭氏陰性菌，其細(xì)胞壁很薄，具有革蘭氏陽性細(xì)菌所缺乏的外膜。 研究人員觀察到，藍(lán)藻通過被動(dòng)、長度依賴性和選擇性過程“吸收”了納米管。該過程允許納米管自發(fā)地穿透 Synechocystis 和 Nostoc 細(xì)胞壁。 有趣的是，納米管植入藍(lán)藻后，當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，納米管會留在子代細(xì)胞。 在此之后，研究小組想看看納米管是否可以用來成像藍(lán)藻——就像在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)揮的作用一樣。 “我們首創(chuàng)了一個(gè)定制設(shè)備，能夠?qū)?xì)菌內(nèi)部的納米管獲得的特殊近紅外熒光進(jìn)行成像。”Boghossian 說。 實(shí)驗(yàn)證明，細(xì)菌內(nèi)部的納米管可以被清楚地看到，即使細(xì)菌本身也同時(shí)發(fā)光。這是因?yàn)?，納米管發(fā)射的為近紅外線，該信號清晰而穩(wěn)定，是目前任何其他納米顆粒傳感器都無法媲美的。 通過使用納米管就可觀察細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生了什么，這令研究人員很興奮。因?yàn)檫@些細(xì)胞難以使用傳統(tǒng)的顆?；虻鞍踪|(zhì)成像；而納米管發(fā)出的光是天然生命物質(zhì)所不具備的，遂使其脫穎而出。
實(shí)現(xiàn)了對細(xì)菌的實(shí)時(shí)監(jiān)測后，研究人員通過跟蹤細(xì)胞的生長和分裂發(fā)現(xiàn)，納米管可由細(xì)菌分裂后形成的子細(xì)胞共享。 “當(dāng)細(xì)菌分裂時(shí)，子細(xì)胞繼承了納米管以及納米管的性質(zhì)?！?a style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); border: 0px; outline: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">Boghossian 說，“我們稱之為'遺傳納米生物'。這像一個(gè)假肢，賦予細(xì)胞超出自然限度的能力。我們不僅將此賦予了細(xì)菌，而且也被它們的后代遺傳。這是我們對遺傳納米生物的首次演示?！?/span> 另一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，當(dāng)納米管置于細(xì)菌內(nèi)部時(shí)，細(xì)菌在被光照亮?xí)r產(chǎn)生的電量顯著增強(qiáng)。因此，該實(shí)驗(yàn)室正致力于將這些納米生物細(xì)菌用于生物光伏發(fā)電。 Boghossian 設(shè)想了一種基于藍(lán)藻的 BPV 設(shè)備，該設(shè)備可以自動(dòng)控制不依賴于添加異物顆粒的電力生產(chǎn)。 “在實(shí)施方面，現(xiàn)在的瓶頸是大規(guī)模將納米管放入藍(lán)藻體內(nèi)的成本和環(huán)境影響?！?a style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); border: 0px; outline: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">Boghossian 和她的團(tuán)隊(duì)正在為擴(kuò)大規(guī)模尋求合成生物學(xué)的解決方案。 “我們的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正致力于生物工程藍(lán)藻，這種藍(lán)藻可以在不需要納米顆粒添加劑的情況下發(fā)電。合成生物學(xué)的進(jìn)步使我們能夠重新編程這些細(xì)胞。我們可以對它們進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，使發(fā)電這一功能存在于它們的 DNA 中?！?/span> |
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