Investigadores del Instituto de Tecnología Stevens sorprenden en el campo del desarrollo de energías alternativas, al transformar un champiñón blanco común en biónico al sobrecargarlo con grupos de cianobacterias impresas en 3D que generan electricidad.

En la naturaleza existen muchos ejemplos de como organismos viven en simbiosis e interactúan entre sí, haciendo que esta relación simbiótica sea mutuamente beneficiosa. El equipo de investigación liderado por Manu Mannoor y Sudeep Joshi del Instituto de Tecnología Stevens se propusieron diseñar una simbiosis artificial entre los champiñones y las cianobacterias que posibiliten el desarrollo de nuevas formas de generar energía eléctrica.  

El champiñón proporciona refugio, humedad y nutrientes, mientras que las bacterias impresas en 3D, en la parte superior del mismo, suministrarán energía mediante la fotosíntesis. Además nanocintas de grafeno impresas serán las encargadas de capturar y recolectar los electrones liberados durante la fotosíntesis, produciendo bioelectricidad.

“Al integrar las cianobacterias con capacidad de producir electricidad, junto con materiales a nanoescala capaces de recolectar energía, hemos podido aprovechar las propiedades únicas de ambos y crear un sistema biónico funcional completamente nuevo” explica Manu Manoor, profesor de ingeniería mecánica en Stevens.

La capacidad de las cianobacterias para producir electricidad es bien conocida por los investigadores en bioingeniería. Sin embargo, su desarrollo ha estado limitado porque las cianobacterias no sobreviven mucho tiempo en superficies artificiales biocompatibles. Los ingenieros de Stevens se preguntaron si los champiñones blancos, que naturalmente albergan una microbiotica rica pero no específicamente las cianobacterias, podrían proporcionar el ambiente adecuado: nutrientes, humedad, PH y temperatura para que estas cianobacterias produzcan electricidad en periodos más largos.

Mannoor y Joshi demostraron que las células cianobacterianas duraron varios días más cuando se colocaron en la parte superior de un champiñón blanco. «Los champiñones sirven esencialmente como un sustrato ambiental adecuado con funcionalidad avanzada para nutrir la energía que produce las cianobacterias», dice Joshi. «Mostramos por primera vez que un sistema híbrido puede incorporar una simbiosis diseñada, entre dos reinos microbiológicos diferentes».

Para hacer realidad su champiñon biónico, los investigadores utilizaron una impresora robótica 3D para imprimir una “tinta electrónica” que contiene las nanocintas de grafeno. Esta red ramificada impresa servirá como una red de recolección de energía sobre la parte superior del champiñón al actuar como una nanosonda para acceder a los bioelectrones generados dentro de las cianobacterias.

Luego imprimieron una “tinta biológica”, que contiene las cianobacterias, en la parte superior del champiñón interseccionando con la tinta electrónica en múltiples puntos de contacto. En estos puntos, los electrones podrían transferirse  a través de las membranas externas de las cianobacterias a la red de conducción de grafeno.

Al iluminar los champiñones se activa la fotosíntesis de las cianobacterias, generando una corriente eléctrica de 65 nA. Aunque esta corriente es insuficiente para alimentar un dispositivo electrónico, los investigadores aseguran que podrían generar las suficiente corriente como para encender un LED.

Además de demostrar que las cianobacterias viven más tiempo en este estado de simbiosis artificial, el equipo mostró cómo la cantidad de electricidad producida por estas bacterias puede variar dependiendo de la densidad con que estas son empaquetadas, siendo aquellas más densamente empaquetadas las producen mayor electricidad. Gracias a la impresión 3D, fue posible conseguir un empaquetado que aumenta la producción de electricidad ocho veces más que métodos convencionales (cianobacterias fundidas con una pipeta en laboratorio).

«Con este trabajo, podemos imaginar enormes oportunidades para aplicaciones bio-híbridas de próxima generación», dice Mannoor. «Por ejemplo, algunas bacterias pueden brillar, mientras que otras detectan toxinas o producen combustible. Al integrar a la perfección estos microbios con los nanomateriales, podríamos realizar muchos otros asombrosos biohíbridos de diseño para el medio ambiente, la defensa, la atención médica y muchos otros campos».

El trabajo fue publicado el 07 de noviembre en la revista científica Nano Letters.