Ученые превратили бактерию в крошечного робота, обернув ее слоем графена - «Наука и технологии»

Обернув живую клетку слоем графена, который представляет собой множество квантовых точек, исследователи из университета Иллинойса в Чикаго (University of Illinois at Chicago, UIC) создали наноразмерного био-микро-робота (цитобота), который может реагировать электрическим способом на изменения окружающей его среды. Данная работа может послужить основой для создания биологических нанороботов, био-микро-механизмов и других крошечных устройств биологической природы, которые можно будет использовать в самых различных областях науки и техники.

Исследователи из UIC назвали свое творение NERD (Nano-Electro-Robotic Device). Основой этого цитобота является бактериальная спора, эндоспора, которая, по сути, является бездействующей бактерией, пребывающей в "спячке". Эндоспоры прочны, жестки и они весьма сильно реагируют на наличие жидкой воды, что делает их идеальным кандидатом для применения их в микромеханических биосистемах, в которых используется ряд естественных функций микроорганизмов, являющихся их реакцией на изменение окружающей среды.

"Это - захватывающее устройство" - рассказывает Викас Бери (Vikas Berry), профессор из UIC, - "В нем имеется биологический элемент, который мы снабдили активным датчиком. И после этого устройство весьма хорошо реагирует на внешние стимулы, в которых может кодироваться передаваемая информация и команды управления".

Соединение графеновых квантовых точек (graphene quantum dots, GQD) с микроорганизмом позволяет совместить некоторые эффекты квантовой механики, такие, как туннелирование электронов и оптическое мерцание с рядом механических и биологических функций живого микроорганизма. А в самом первом случае исследователи UIC использовали GQD совместно с трансмембранным гидравлическим "насосом", основанным на способности споры бактерии полностью изгонять из себя влагу. И в этом случае получившееся биоустройство работало как сверхчувствительный и высокоточный электро-биомеханический датчик влажности.

"Мы взяли бактерию и поместили на ее поверхность графеновые квантовые точки. Приложив к поверхности получившейся структуры два электрода, мы получили возможность измерять влажность окружающей спору среды" - рассказывает Викас Бери, - "Когда при уменьшении влажности спора сжимается, отдавая внутреннюю влагу в окружающую среду, квантовые точки сближаются, увеличивая электрическую проводимость структуры в целом. Измеряя уровень текущего электрического тока, мы получаем очень чистый сигнал, очень резко изменяющийся в ответ на изменения влажности среды".

Исследователи зарегистрировали, что скорость реакции бактерии-датчика минимум в 10 раз превышает быстродействие самых лучших датчиков влажности, изготовленных на основе синтетических гидро-абсорбирующих полимерных материалов. И, кроме этого, созданное ими электро-биомеханическое устройство имело крайне высокую чувствительность в условиях исключительно низкого давления, в условиях низкой влажности и при других условиях, которые не попадают в диапазон рабочих условий традиционных датчиков влажности.

Технологии, подобные разработанной, позволят людям в своих целях использовать уникальную биомолекулярную структура различных типов микроорганизмов, которые могут выступать в роли биодвигателей для различных механических и электромеханических наноустройств. А это, в свою очередь, может быть применено в областях диагностики различных заболеваний, в области биохимического анализа, микроробототехники и для обнаружения в окружающей среде молекул, атомов и ионов различных химических соединений и элементов.