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Novos cogumelos biônicos usam nanotecnologia para produzir eletricidade

Cianobactérias impressas em 3D inseridas no fungo geram corrente elétrica, que é coletada por nanofitas de grafeno

Sudeep Joshi, Instituto de Tecnologia Stevens

Esse é um cogumelo de botão branco equipado com nanofitas de grafeno impressas em 3D (preto), que coletam eletricidade gerada por cianobactérias impressas em 3D densamente compactadas (verde).

Em seu mais recente feito de engenharia, pesquisadores do Instituto de Tecnologia Stevens selecionaram um cogumelo do tipo de botão branco comum em uma mercearia e o transformaram num cogumelo biônico, empregando aglomerados de cianobactérias impressos em 3D que geram eletricidade e redemoinhos de nanofitas de grafeno que podem coletar a corrente.

O trabalho, relatado na edição de 7 de novembro da revista Nano Letters, pode soar como algo saído de Alice no País das Maravilhas. Mas os híbridos fazem parte de um esforço mais amplo para melhorar nossa compreensão da maquinaria biológica das células e para aprenser a usar essas intrincadas engrenagens e alavancas moleculares afim de fabricar novas tecnologias e sistemas que sejam úteis para a defesa, a saúde e o meio-ambiente.

"Nesse caso, nosso sistema - o cogumelo biônico - produz eletricidade", disse Manu Mannoor, professor assistente de engenharia mecânica em Stevens. "Através da integração das cianobactérias, capazes de produzir eletricidade, com materiais em nanoescala que podem coletar a corrente gerada, conseguimos aproveitar da melhor forma as propriedades singulares de ambos, aumentá-las e criar um sistema biônico totalmente novo."

A capacidade das cianobactérias de produzir eletricidade é bem conhecida nos círculos de bioengenheiros. No entanto, os pesquisadores têm limitações no uso desses micróbios em sistemas de bioengenharia porque as cianobactérias não sobrevivem por muito tempo em superfícies artificiais biocompatíveis. Mannoor e Sudeep Joshi, um colega de pós-doutorado do seu laboratório, questionaram se os cogumelos brancos, que naturalmente abrigam uma rica microbiota, mas não especificamente cianobactérias, poderiam fornecer o ambiente certo - nutrientes, umidade, pH e temperatura - para as cianobactérias produzirem eletricidade por um período mais longo.

Mannoor e Joshi mostraram que as células de cianobactérias duravam vários dias a mais quando colocadas na tampa de um cogumelo de botão branco ao invés de um cogumelo siliconado e morto utilizado como controle. "Os cogumelos servem essencialmente como um substrato ambiental adequado com funcionalidade avançada de nutrir as cianobactérias produtoras de energia", diz Joshi. "Mostramos pela primeira vez que um sistema híbrido pode incorporar uma colaboração artificial, ou uma simbiose feita por engenharia, entre dois reinos microbiológicos diferentes".

Mannoor e Joshi usaram uma impressora 3D baseada em um braço robótico para imprimir primeiro uma "tinta eletrônica" contendo as nanofitas de grafeno. Esta rede ramificada impressa serve como uma rede de coleta de eletricidade sobre a tampa do cogumelo, agindo como uma nano-sonda para acessar os bio-elétrons gerados dentro das células de cianobactérias. Imagine que foram inseridas agulhas dentro de uma célula para captar os sinais elétricos que existem nela, explica Mannoor.

Em seguida, eles imprimiram uma "bio-tinta" no formato de uma espiral contendo cianobactérias no chapéu do cogumelo que em vários pontos tocava na tinta eletrônica. Nesses pontos, os elétrons se transferiam pelas membranas externas das cianobactérias para a rede condutora de nanofitas de grafeno. Uma luz brilhante sobre os cogumelos ativou a fotossíntese de cianobactérias, gerando uma fotocorrente.

Além de as cianobactérias terem vivido mais em um estado de simbiose projetada, Mannoor e Joshi mostraram que a quantidade de eletricidade que essas bactérias produzem pode variar dependendo da densidade e do alinhamento com as quais elas são agrupadas, de modo que quanto mais densos forem os agrupamentos, mais eletricidade será produzida. Com a impressão 3D, foi possível juntá-las de forma a obter oito vezes mais eletricidade do que as cianobactérias agrupadas usando uma pipeta de laboratório.

Recentemente, alguns pesquisadores têm imprimido células bacterianas em 3D seguindo diferentes padrões geométricos espaciais. Mas Mannoor e Joshi, junto com a co-autora Ellexis Cook, não foram apenas os primeiros a padronizá-las para maximizar a geração de eletricidade, mas também a integrá-las para desenvolver uma arquitetura biônica funcional.

"Com este trabalho, podemos imaginar enormes oportunidades para aplicações bio-híbridas de última geração", diz Mannoor. "Por exemplo, algumas bactérias podem brilhar, enquanto outras detectam toxinas ou produzem combustível. Ao integrar esses micróbios com nanomateriais, podemos produzir muitos outros bio-híbridos incríveis para o meio-ambiente, defesa, saúde e muitos outros campos."

Instituto de Tecnologia Stevens

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