Pochłaniające światło nanoklastry wykonane z 22 atomów złota (Au22) są wystarczająco małe, aby prześlizgnąć się przez ścianę błony bakteryjnej. Źródło obrazu: Berkeley College of Chemistry

Cyborga Bakterie Zdobądź Golden Upgrade

Naukowcy wykorzystują złote nanocząsteczki w syntetycznej fotosyntezie bakteryjnej w poszukiwaniu energii alternatywnej

UNIVERSITY OF CALIFORNIA -BERKELY - Niedawna innowacja w poszukiwaniu alternatywnych źródeł energii przekształciła naturalnie występujące bakterie w receptory słoneczne, które są zdolne do przekształcania dwutlenku węgla, wody i światła słonecznego w paliwa słoneczne.

Te przełomowe badania polegają na opracowaniu syntetycznej metody fotosyntezy. W naturze fotosynteza jest mechanizmem, dzięki któremu rośliny wykorzystują chlorofil do wychwytywania światła słonecznego i przekształcania go w energię.

Źródło obrazu: Uniwersytet Wageningin i badania

Naukowcom udało się naśladować naturalną fotosyntezę, przyczepiając pochłaniające światło nanokryształy siarczku kadmu (CdS) do zewnętrznej błony Moorella thermoacetica, która w stanie naturalnym jest bakterią niefotosyntetyczną. Dzięki temu procesowi przekształcili go w hybrydową maszynę do fotosyntezy bakteryjnej, która przewyższa naturalną fotosyntezę.

„Zamiast polegać na nieefektywnym chlorofilu do zbierania światła słonecznego, nauczyłem bakterie, jak rosnąć i przykrywać swoje ciała drobnymi nanokryształami półprzewodników”, mówi dr Kelsey K. Sakimoto, który przeprowadził badania w laboratorium Peidong Yang, profesor chemii na UC Berkeley. „Te nanokryształy są znacznie bardziej wydajne niż chlorofil i można je hodować za ułamek kosztów produkowanych paneli słonecznych”.

Kiedy światło słoneczne uderza w nanocząstki CdS, generowany jest naładowany elektron, który przemieszcza się przez wnętrze bakterii. Elektron oddziałuje z enzymami, powodując redukcję dwutlenku węgla, który ostatecznie wytwarza octan, substancję chemiczną, która jest ważna w produkcji paliw słonecznych.

Dzięki temu procesowi przekształcili Moorella thermoacetica w hybrydowy bakteryjny fotosyntezator, M. thermoacetica-CdS, który przewyższa naturalną fotosyntezę w życiu roślin. Hybryda jest technologią zero-marnotrawczą, ponieważ jest samoregenerująca i samoreplikująca się, ze stopniem wydajności większym niż 80 procent.

Chociaż ten model wydawał się wyjątkowo obiecujący, naukowcy zauważyli, że niektóre elektrony zostały utracone w wyniku interakcji z innymi chemikaliami w komórce bakteryjnej. Aby rozwiązać problem utraconych elektronów, wprowadzili do komórki kolejny półprzewodnik: pochłaniające światło nanoklasty wykonane z 22 atomów złota (Au22), które są wystarczająco małe, aby prześlizgnąć się przez ścianę błony bakteryjnej. Rezultatem jest układ biohybrydowy, który oferuje wyższe wydajności niż zostały wyprodukowane z zewnątrzkomórkowym modelem CdS.

„Wybraliśmy Au22, ponieważ idealnie nadaje się do pochłaniania światła widzialnego i ma potencjał napędzania procesu redukcji CO2, ale nie byliśmy pewni, czy będzie on kompatybilny z bakteriami”, powiedział Yang. „Kiedy sprawdziliśmy je pod mikroskopem, odkryliśmy, że bakterie były obciążone tymi skupiskami Au22 - i nadal były szczęśliwe.”

Au22 jest wystarczająco mały, aby prześlizgnąć się przez ścianę błony bakteryjnej. Zdjęcie: Peidong Yang, UC Berkeley

Rozwój syntetycznej fotosyntezy może zaoferować potencjalne rozwiązania w poszukiwaniu alternatywnych źródeł energii. „Biologia syntetyczna i możliwość rozszerzenia zakresu produktów redukcji CO2 będą miały kluczowe znaczenie dla wykorzystania tej technologii jako zamiennika lub jednego z wielu zamienników dla przemysł petrochemiczny ”, mówi Sakimoto.

Naukowcy zamierzają kontynuować rozwój tej nowej technologii: „Następnie chcielibyśmy znaleźć sposób na zmniejszenie kosztów, poprawę żywotności tych systemów biohybrydowych i poprawę wydajności kwantowej”, powiedział Yang.

Źródła:

Bakterie cyborga przewyższają rośliny, przekształcając światło słoneczne w użyteczne związki (wideo). (2017, 22 sierpnia). Źródło: https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2017/august/cyborg-bacteria-outperform-plants-when-turning-sunlight-into-useful-compounds-video.html

Sakimoto, K. K., Wong, A. B. i Yang, P. (2016, 01 stycznia). Samouczulanie się bakterii innych niż fotosyntetyczne do produkcji energii słonecznej na chemiczną. Źródło: http://science.sciencemag.org/content/351/6268/74

Pozyskiwanie paliw słonecznych przez niezwykły apetyt bakterii na złoto. (n.d.). Źródło: https://chemistry.berkeley.edu/news/harvesting-solar-fuels-through-bacterium's-unusual-appetite-gold