Enabling natural photonics through genetic manipulation of diatoms

Fotonikk, dvs. manipulering av lys på nanoskala, er en muliggjørende teknologi med potensial til å bidra til løsning av en rekke samfunnsutfordringer. Fotoniske krystaller (PhC) er nøkkelkomponenter i fontoniske teknologier som er i stand til å manipulere lys i opp til tre dimensjoner. Et stort problem med prosessene for nanofabrikering av PhC'er er at de er dyre og miljøfientlige. ENIGMA-teamet har vist at kiselalger, som er encellete mikroalger, danner PhCs'er av høy kvalitet i den silikabaserte celleveggen. Kiselalger har derfor potensial til å fungere som plattform for produksjon av svært kostnadseffektive, miljøvennlige og naturlige PhC'er for en rekke ulike bruksområder. I dette prosjektet vil vi kombinere bioteknologi og nanofotonikk for å lage skreddersydde bio-PhC'er for spesifikke bruksområder. Vi vil sekvensere gener som transkriberes som respons på slilkon i to arter av kiselalger, Coscinodiscus granii og C. wailesi, og etablere genetisk transformering av disse artene. Vi vil bruke data fra Coscinodiscus og modell-kiselalgen Thalassiosira pseudonana for å identifisere kandidatgener involvert i prosessen som gir PhC-egenskaper. Funksjonen til disse genene vil bli undersøkt ved bruk av CRISPR/Cas9-basert genredigering. De optiske egenskapene til de genredigerte mutantene vil bli karakterisert ved hjelp av mikroskoper tilrettelagt for studier av PhC'er, noe som vil gi informasjon om potensialet for rommessig og spektral manipulering, og for å finne en korrelasjon mellom den fotoniske responsen og den genetiske mutasjonen. Vi vil demonstrere anvendeligheten til denne nye teknologien ved å bruke den i to prosesser som krever nanostrukturer av høy kvalitet: biosensing og fotokatalytiske plattformer. Ansvarlig forskning og innovasjon (RRI) vil bli inkludert i prosjektet for for å sikre samfunnsmessig oppmerksomhet og aksept, og miljømessig bærekraft.

Photonics, the manipulation of light at nanoscale, is a key enabling technology the potential to address a number of societal and global challenges. Photonic crystals (PhCs) are sophisticated components at the core of photonics, facilitating light manipulation in up to three dimensions; however, the nanofabrication procedures required are far from being environmentally friendly and cost-effective. We very recently demonstrated that diatoms, which are unicellular microalgae, form high-quality PhCs in their silica-based cell wall, with highly reproducible photonic properties confined to particular parts of the light spectrum. Thus, diatoms have potential to act as a platform for producing highly cost-effective, environmentally friendly and natural PhCs for a wide range of applications. In this project we will combine biotechnology and nanophotonics to obtain tailored bio-PhCs for specific applications. We will sequence the silicon-responsive transcriptome of two diatom species, Coscinodiscus granii and C. wailesii, and establish genetic transformation in these species. We will mine the sequence datasets from Coscinodiscus and from the model diatom Thalassiosira pseudonana for candidate genes involved in the in vivo PhC formation process. Their function will be investigated using CRISPR/Cas9-based gene editing. The optical properties of the genetic mutants will be characterized with microscopes adapted for the study of PhCs, yielding information of the spatial and spectral light manipulation potential, and to find a correlation between photonic response and genetic mutation. We will demonstrate the wide range of applicability of this novel technology through the implementation of two applications demanding high quality nanostructures; biosensing and photocatalytic platforms. The four dimensions of RRI (Anticipation, inclusion, reflexivity, and responsiveness) will be employed in the project to ensure social awareness, acceptability, and environmental sustainability.