Praca opublikowana przez naukowców ze Stevens Institute of Technology może brzmieć dość abstrakcyjnie, jednak hybrydy są częścią szerszych działań, mających na celu ulepszyć nasze rozumienie mechanizmu działania komórek biologicznych i tego, jak należy używać tych skomplikowanych molekularnych przekładni oraz dźwigni do wytwarzania nowych technologii i użytecznych systemów dla ochrony zdrowia i środowiska.

W tym przypadku ich system – czyli bioniczny grzyb – wytwarza energię elektryczną. Poprzez integrację cyjanobakterii, które mogą wytwarzać elektryczność, z nanoskalowymi materiałami zdolnymi do pochłaniania prądu, byli w stanie uzyskać lepszy dostęp do unikalnych właściwości obu struktur, zwiększając przy tym ich możliwości i tworząc całkowicie nowy, funkcjonalny system bioniczny.

Zdolność produkowania elektryczności przez cyjanobakterie jest dobrze znana w kręgach bioinżynierii. Jednak naukowcy nie ograniczają się do stosowania tych mikroorganizmów w systemach bioinżynieryjnych, ponieważ sinice nie przetrwają długo na sztucznych, biokompatybilnych powierzchniach. Badacze zastanawiali się, czy białe grzyby guzikowe, w których naturalnie występuje bogata mikrobiota, ale nie cyjanobakterie, mogą zapewnić odpowiednie środowisko – składniki odżywcze, wilgotność, pH i temperaturę – aby wytwarzane cyjanobakterie mogły produkować elektryczność przez długi czas.

Naukowcy wykazali, że komórki cyjanobakterii żyły kilka dni dłużej, gdy umieszczono je na czapce białego grzyba guzikowego w porównaniu do kontroli z silikonem i martwym grzybem. Grzyby służą przede wszystkim jako odpowiedni substrat środowiskowy o zaawansowanej funkcjonalności odżywczej wytwarzającej energię cyjanobakterii. Badacze pokazali po raz pierwszy, że system hybrydowy może łączyć zarówno sztuczną współpracę, jak i zaprojektowaną symbiozę między dwoma różnymi królestwami mikrobiologicznymi.

W tym celu użyli zrobotyzowanej, opartej na ramionach drukarki 3D, aby najpierw wydrukować "elektroniczny atrament" zawierający nanowstążki grafenu. Ta drukowana, rozgałęziona struktura służy jako sieć zbierająca energię elektryczną na czapce grzyba, działając jak nanosonda w celu uzyskania dostępu do bioelektronów wytwarzanych wewnątrz komórek cyjanobakterii. To tak jakby igły wbijały się w jedną komórkę, aby uzyskać dostęp do sygnałów elektrycznych w środku.

Następnie, wydrukowali "bio-tusz" zawierający cyjanobakterie na czapce grzyba w spiralnym wzorze, przecinającym się z atramentem elektronicznym w wielu punktach kontaktowych. W tych miejscach elektrony mogą przenosić się przez zewnętrzne błony cyjanobakterii do przewodzącej sieci nanocząsteczek grafenu. Światło świecące na grzyby aktywowało fotosyntezę sinicową, generując fotoprąd.

Poza cyjanobakteriami żyjącymi dłużej w stanie zaprojektowanej symbiozy naukowcy wykazali, że ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez te bakterie może być różna w zależności od gęstości i ustawienia, w jakim są one pakowane. Im gęściej są upakowane, tym więcej wytwarzają energii elektrycznej. Dzięki drukowi 3D możliwe było ich ułożenie w taki sposób, aby zwiększyć ich aktywność wytwarzania energii elektrycznej 8 razy w porównaniu do nanoszenia cyjanobakterii za pomocą pipety laboratoryjnej.

Niektórzy badacze mają już wydrukowane komórki bakterii 3D w różnych geometrycznych wzorach przestrzennych, ale autorzy owej pracy są nie tylko pierwszymi, którzy wzorują się na ulepszaniu ich potencjału generującego energię elektryczną, ale także integrują je w celu opracowania funkcjonalnej architektury bionicznej.

To odkrycie uświadamia nam, jak ogromne możliwości daje zastosowanie materiałów biohybrydowych następnej generacji. Na przykład niektóre bakterie mogą świecić, podczas gdy inne wyczuwają toksyny bądź produkują paliwo. Dzięki płynnej integracji tych mikroorganizmów z nanomateriałami można potencjalnie stworzyć wiele innych niesamowitych biohybryd zaprojektowanych dla ochrony środowiska, opieki zdrowotnej i wielu innych dziedzin.