史蒂文斯理工學院探索基于仿生共生原理的生物電源：石墨烯發電的仿生蘑菇

史蒂文斯理工學院探索基于仿生共生原理的生物電源：石墨烯發電的仿生蘑菇

美國科學家借助光合作用細菌、電極網絡和一部3D打印機把蘑菇變成了生物電源。

雖然實際電量小的可憐，但他們只是用它來展示某種概念的潛力——“微觀世界的不同生命形式之間實現功能性互補的仿生結構”——說明構建一種互惠的人工共生關系是完全可能的。

史蒂文斯理工學院的Manu Mannoor和Sudeep Joshi領導的團隊開發出使用石墨烯發電的仿生蘑菇，想要為紐扣菇(雙孢蘑菇)和藍細菌建立起人工的共生關系；藍細菌是一種單細胞微生物，可以進行光合作用。更準確地說，研究人員在蘑菇的帽子上添加了3D打印的藍細菌簇，使真菌具有發電能力。他們還投入石墨烯納米帶來收集電流。

圖片來源：史蒂文斯理工學院

藍藻的驚人生產能力在生物工程界廣為人知。然而，研究人員一直限制在生物工程系統中使用這些微生物，因為藍藻在人工生物相容性表面上不能存活很長時間。 Mannoor和Sudeep Joshi是他實驗室的博士后研究員，他想知道蘑菇是否可以為各種細菌提供適當的環境、營養、水分、pH和溫度 ，藍藻則可以為其提供更長的時期的電力。

“在這種情況下，我們的系統，這種仿生蘑菇能自己產生電力。”史蒂文斯機械工程助理教授Manu Mannoor說。 “通過整合能夠產生電能的藍細菌和能夠收集電流的納米級材料，我們能夠更好地獲得兩者的獨特性質，并創造一個全新的功能性仿生系統。”

Mannoor和Joshi表示，當放置在白色紐扣蘑菇的蓋子上時，藍藻細胞會持續數天，“這些蘑菇基本上是一種合適的環境基質，具有滋養能量產生藍藻的功能。”Joshi說。 “我們首次展示了混合系統可以在兩個不同的微生物王國之間進行人工合作和工程共生。”

圖源：3ders.org

為了開發仿生蘑菇，Mannoor和Joshi使用基于機械臂的3D打印機首先打印含有石墨烯納米帶的“電子墨水”。這種印刷的分支網絡通過像納米探針一樣充當蘑菇帽頂部的電力收集網絡，以獲取藍藻細胞內部產生的生物電子。 Mannoor解釋說，想象一下針刺入單個細胞內以獲取其內部的電信號。

接下來，他們將含有藍細菌的“生物墨水”以螺旋圖案印刷到蘑菇帽上，所述螺旋圖案在多個接觸點處與電子墨水相交。在這些位置，電子可以通過藍細菌的外膜轉移到石墨烯納米帶的導電網絡。照亮了蘑菇，激活了藍藻的光合作用，產生了光電流。

除了在工程共生狀態下長壽的藍細菌外，Mannoor和Joshi表明這些細菌產生的電量可以根據它們的密度和排列方式而變化，這樣它們的密集程度就越高，他們生產的電力越多。通過3D打印，可以組裝它們，以便使用實驗室移液器將其發電活性提高八倍于鑄造的藍細菌。

光照蘑菇，上面的藍藻開始光合作用，產生約65納安的電流。電流本身很小，但研究人員表示，如果增加蘑菇的數量，就可以產生足夠大的電流來點亮LED，他們正在研究如何提高蘑菇的發電效率。

在《納米快報》上刊發的論文中描述了他們的實驗步驟。他們更加注重大的方向，而不是蘑菇本身。相信這種3D打印方法可用于組織起更加復雜的細菌，以實現有用的功能，例如生物發光。

“微生物世界被分為幾個王國，其中引人注意的是，細菌和真菌王國通過共生互惠互利。”Mannoor及其同事寫道，“通過選擇性地和可控制地將微觀世界中的不同物種組合起來，以創造性的手段來實現功能性仿生結構。如何將細菌的固有能力和功能拼接在一起，是未來發展中重要的工程挑戰。”

實驗中選用的生物組合并非隨意選擇的結果。

研究人員表示，藍細菌擁有獨特的光合作用能力，光子轉化效率接近100％，而蘑菇是少數幾種已經進化了數百萬年的生物形式之一，具有“引人注目的生物模擬結構”。

蘑菇的菌蓋可用于固定藍藻菌落以有效地產生光合生物電，并且光合作用所需的水分子可通過蘑菇內的親水性纖維條帶的毛細作用遞送至固定的藍細菌處。

蘑菇的多孔結構便于水分子的轉移，從而提供了必要的水通道。

研究人員寫道：“通過探索合理的仿生共生體的存在形式，為兩大微生物王國之間打起溝通的橋梁，實現可以發揮出更大優勢的多維整合。”

“由于缺乏葉綠素色素，蘑菇缺少光合作用的能力，而藍細菌補上了這一環。”

同時，蘑菇的生態結構提供了自給自足的生理條件，如潮濕的棲息地和穩定的營養來源，使藍細菌能夠存活更長時間。因此，這樣的整合設計實現了互惠關系，可以被稱之為“工程仿生共生結構”。