@ 2018.11.10 , 12:00

仿生共生结构:能发电的蘑菇-蓝细菌

仿生共生结构:能发电的蘑菇-蓝细菌
封面配图与正文无关,Credit: 123RF

美国科学家借助光合作用细菌、电极网络和一部3D打印机把蘑菇变成了生物电源。

虽然实际电量小的可怜,但他们只是用它来展示某种概念的潜力——“微观世界的不同生命形式之间实现功能性互补的仿生结构”——说明构建一种互惠的人工共生关系是完全可能的。

由美国新泽西州史蒂文斯理工学院的Manu Mannoor和Sudeep Joshi领导的团队想要为纽扣菇(双孢蘑菇)和蓝细菌建立起人工的共生关系;蓝细菌是一种单细胞微生物,可以进行光合作用。

他们先是使用含有石墨烯纳米带的电子墨水3D在活蘑菇的菌帽上打印出电路图案。接下来,他们改换包含蓝细菌的生物油墨,在同一株菌帽上打印出螺旋图案。一圈圈螺旋与之前的电子油墨痕迹相交;而在交点上,电子可以通过细菌的外膜转移到石墨烯纳米带构成的导电网络。光照蘑菇,上面的蓝藻开始光合作用,产生约65纳安的电流。可点击此处,查看打印好的共生蘑菇

电流本身很小,但研究人员表示,如果增加蘑菇的数量,就可以产生足够大的电流来点亮LED,他们正在研究如何提高蘑菇的发电效率。

在《纳米快报》上刊发的论文中描述了他们的实验步骤。他们更加注重大的方向,而不是蘑菇本身。相信这种3D打印方法可用于组织起更加复杂的细菌,以实现有用的功能,例如生物发光。

“微生物世界被分为几个王国,其中引人注意的是,细菌和真菌王国通过共生互惠互利。”Mannoor及其同事写道,“通过选择性地和可控制地将微观世界中的不同物种组合起来,以创造性的手段来实现功能性仿生结构。如何将细菌的固有能力和功能拼接在一起,是未来发展中重要的工程挑战。”

实验中选用的生物组合并非随意选择的结果。

研究人员表示,蓝细菌拥有独特的光合作用能力,光子转化效率接近100%,而蘑菇是少数几种已经进化了数百万年的生物形式之一,具有“引人注目的生物模拟结构”。

蘑菇的菌盖可用于固定蓝藻菌落以有效地产生光合生物电,并且光合作用所需的水分子可通过蘑菇内的亲水性纤维条带的毛细作用递送至固定的蓝细菌处。

蘑菇的多孔结构便于水分子的转移,从而提供了必要的水通道。

研究人员写道:“通过探索合理的仿生共生体的存在形式,为两大微生物王国之间打起沟通的桥梁,实现可以发挥出更大优势的多维整合。”

“由于缺乏叶绿素色素,蘑菇缺少光合作用的能力,而蓝细菌补上了这一环。”

同时,蘑菇的生态结构提供了自给自足的生理条件,如潮湿的栖息地和稳定的营养来源,使蓝细菌能够存活更长时间。因此,这样的整合设计实现了互惠关系,可以被称之为“工程仿生共生结构”。

本文译自 cosmosmagazine,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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