سوزان أبو سعيد ضو

تمكن باحثون من تطوير "فطر آلي" Bionic Mushroom يمكنه توليد الكهرباء، وللقيام بذلك، استخدموا البكتيريا الزرقاء المخضرة، Cyanobacteria التي تنتج طاقتها الخاصة من خلال التمثيل الضوئي Photosynthesis، مثل النباتات تماما.

معهد ستيفنز التقني

فقد جمع الباحثون في معهد ستيفنز التقني The Stevens Institute Of Technology بين فطر أبيض عادي والبكتيريا وتقنية النانو، وتمكنوا من توليد الكهرباء "النظيفة" وقد نشر بحثهم في دورية Nano Letters.

وقال الباحثون: " قد يبدو هذا العمل، الذي تم نشره في العدد السابع الخاص بتشرين الثاني/نوفمبر من دورية Nano Letters، وكأنه آت من قصص (أليس في بلاد العجائب) Alice in Wonderland، لكن هذا الخليط الهجين هو جزء من جهد أوسع لتحسين فهمنا لآلية الخلايا البيولوجية وكيفية استخدام تلك الجزيئات المعقدة لتصنيع تكنولوجيات جديدة وأنظمة مفيدة لاستخدامات عدة لخدمة البشرية في مجالات مختلفة".

وقال مانو مانور Manu Mannoor، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية في معهد ستيفنز  التقني": "في هذه الحالة ، يقوم نظامنا - هذا الفطر الآلي - بإنتاج الكهرباء"، وأضاف: "من خلال دمج Cyanobacteria التي يمكن أن تنتج الكهرباء، بمواد نانوية قادرة على جمع التيار الكهربائي، كنا قادرين على الوصول بشكل أفضل إلى الخصائص الفريدة لكليهما بالإضافة إلى إنشاء نظام (بيوني) آلي Bionic وظيفي جديد كليًا".

السيانوباكتيريا

إن قدرة Cyanobacteria على إنتاج الكهرباء معروفة جيداً في دوائر الهندسة البيولوجية. ومع ذلك ، فقد كان الباحثون محدودين في استخدام هذه الميكروبات في الأنظمة التي تم معالجتها بالهيدروجين، لأن Cyanobacteria لا تعيش طويلاً على الأسطح الاصطناعية المتوافقة مع الكائنات الحية، وتساءل مانور وسوديب جوشي  Sudeep Joshi، وهو زميل ما بعد الدكتوراة في مختبره، عما إذا كان فطر عيش الغراب الأبيض، الذي يستضيف بشكل طبيعي العديد من البكتيريا ولكن ليس هذا النوع من البكتيريا على وجه التحديد، وأنه يمكن أن يوفر البيئة المناسبة - المواد المغذية والرطوبة ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة المناسبة- لكي تنتج Cyanobacteria الكهرباء لفترة أطول".

وقال مانور في رسالة بريد إلكتروني لموقع USA Today: "قمنا بدمج الميكروبات والفطر بطريقة تستطيع Cyanobacteria أن تصنع الطاقة عن طريق التمثيل الضوئي بينما يوفر الفطر (المأوى المناسب) لها للقيام بذلك"، وأضاف: "تشتمل ميزات هذا الملجأ على الرطوبة والظروف الفيزيولوجية الحيوية المناسبة للبكتيريا للعيش لفترة أطول، بالإضافة إلى هندسة رأس الفطر التي توفر مساحة أكبر لأشعة الشمس الكافية والوافرة".

نظام هجين

وقد أظهر مانور وجوشي أن خلايا Cyanobacteria تمكنت من البقاء على قيد الحياة عدة أيام أطول عندما وضعت على غطاء فطر أبيض مقابل فطر من السيليكون وفطر  ميت كموائل بديلة، وقال جوشي: "يعمل الفطر بشكل أساسي كركيزة بيئية مناسبة مع وظائف متقدمة لتغذية البكتيريا Cyanobacteria المنتجة للطاقة"، وأضاف: "أظهرنا لأول مرة أن النظام الهجين يمكن أن يضم تعاونًا صناعيا، أو تعاملا هندسياً، بين مملكتين ميكروبيولوجيتين مختلفتين".

استخدم مانور وجوشي طابعة ثلاثية الأبعاد لها ذراع آلية لطبع "حبر إلكتروني" يحتوي على شبكة من شرائط من نانويات مادة الغرافين Graphene (مادة من الكربون بهندسة فيزيائية معينة)، وتعمل هذه الشبكة المطبوعة المتفرعة كشبكة لجمع الكهرباء فوق غطاء الفطر من خلال العمل كمسبار نانوي - للوصول إلى الإلكترونات الحيوية المتولدة داخل الخلايا البكتيرية، وأوضح مانور: "تخيل أن إبر تلتصق في كل خلية للوصول إلى الإشارات الكهربائية بداخلها".

بعد ذلك ، طبعوا "حبرًا حيويًا" يحتوي على cyanobacteria على غطاء الفطر في نمط حلزوني يتقاطع مع الحبر الإلكتروني عند نقاط اتصال متعددة، في هذه المواقع، يمكن أن تنتقل الإلكترونات عبر الأغشية الخارجية لهذه البكتيريا إلى الشبكة الموصلة من نانويات الغرافين، وعند تسليط الضوء على الفطر يتم تفعيل التمثيل الضوئي لـ cyanobacteria، وتوليد التيار الضوئي photocurrent.

بالإضافة إلى cyanobacteria التي تعيش لفترة أطول في حالة التعايش (التكافل) symbiosis الهندسي ، أظهر مانور و جوشي أن كمية الكهرباء التي تنتجها هذه البكتيريا يمكن أن تختلف باختلاف الكثافة والمحاذاة التي تكتظ بها، بحيث تصبح كلما كانت أكثر كثافة معًا، كلما زاد إنتاج الكهرباء، ومع الطباعة ثلاثية الأبعاد، كان من الممكن تجميعها لزيادة نشاطها لإنتاج الكهرباء ثمانية أضعاف أكثر من cyanobacteria المصبوبة باستخدام ماصة pipette مختبرية.

في الآونة الأخيرة، قام عدد قليل من الباحثين بإنتاج خلايا بكتيرية ثلاثية الأبعاد في أنماط هندسية مكانية مختلفة، لكن مانور و جوشي ، بالإضافة إلى المؤلف المشارك Ellexis Cook ، ليسوا أول من يضعها بهندسة تزيد من سلوكها المولّد للكهرباء ولكن أيضًا دمجها مع تطوير بنية الكترونية وظيفية.

كان الفطر قادرًا على إنشاء تيار يبلغ حوالي 65 نانومترًا في الثانية. على الرغم من أن الفطر ليس قويًا بما يكفي لتشغيل جهاز، إلا أن الباحثين يقولون إن العديد منها يمكنها إنشاء تيار كهربائي كاف لإضاءة مصباح LED.

يقول مانور: "مع هذا العمل ، يمكننا أن نتخيل فرصًا هائلة للتطبيقات الهجينة الحيوية من الجيل التالي"، وأضاف "على سبيل المثال، يمكن لبعض البكتريا أن تتوهج ، بينما تستشعر أخرى بالسموم أو تنتج الوقود، من خلال دمج هذه الكائنات الحية الدقيقة بسهولة مع المواد النانوية، يمكننا أن نحقق الكثير من الهجين الحيوي المذهل المصمم لخدمة البيئة، والدفاع، والرعاية الصحية والعديد من المجالات الأخرى".

المصادر: Stevens Institute of Technology، USA Today، Spring Wise.

الفيديو: TomoNews.