Cyborg-bakterier klarer sig bedre end planter, når de forvandler sollys til nyttige forbindelser

Fotosyntese giver energi til langt størstedelen af ​​livet på Jorden. Men klorofyl, det grønne pigment, som planter bruger til at høste sollys, er relativt ineffektiv. For at sætte mennesker i stand til at fange mere af solens energi end naturlig fotosyntese kan, forskere har lært bakterier at dække sig selv i små, højeffektive solpaneler til at producere nyttige forbindelser.

Forskerne præsenterer deres arbejde i dag ved det 254. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS).

"I stedet for at stole på ineffektiv klorofyl til at høste sollys, Jeg har lært bakterier at vokse og dække deres kroppe med små halvleder -nanokrystaller, " siger Kelsey K. Sakimoto, Ph.D., som udførte forskningen i laboratoriet i Peidong Yang, Ph.d. "Disse nanokrystaller er meget mere effektive end klorofyl og kan dyrkes til en brøkdel af prisen på fremstillede solpaneler."

Mennesker søger i stigende grad at finde alternativer til fossile brændstoffer som energikilder og råvarer til kemisk produktion. Mange forskere har arbejdet på at skabe kunstige fotosyntetiske systemer til at generere vedvarende energi og simple organiske kemikalier ved hjælp af sollys. Der er sket fremskridt, men systemerne er ikke effektive nok til kommerciel produktion af brændstoffer og råstoffer.

Forskning i Yangs laboratorium ved University of California, Berkeley, hvor Sakimoto fik sin Ph.D., fokuserer på at udnytte uorganiske halvledere, der kan fange sollys til organismer som f.eks. bakterier, der derefter kan bruge energien til at producere nyttige kemikalier fra kuldioxid og vand. "Forskningens fokus i mit laboratorium er i det væsentlige at "superlade" ikke-fotosyntetiske bakterier ved at give dem energi i form af elektroner fra uorganiske halvledere, som cadmiumsulfid, som er effektive lysabsorbere, " siger Yang. "Vi leder nu efter mere godartede lysabsorbere end cadmiumsulfid for at give bakterier energi fra lys."

Sakimoto arbejdede med en naturligt forekommende, ikke-fotosyntetisk bakterie, Moorella thermoacetica , hvilken, som en del af dets normale åndedræt, producerer eddikesyre ud fra kuldioxid (CO ₂ ). Eddikesyre er et alsidigt kemikalie, der let kan opgraderes til en række brændstoffer, polymerer, lægemidler og råvarekemikalier gennem komplementære, gensplejsede bakterier.

Når Sakimoto fodrede cadmium og aminosyren cystein, som indeholder et svovlatom, til bakterierne, de syntetiserede cadmiumsulfid (CdS) nanopartikler, som fungerer som solpaneler på deres overflader. Hybridorganismen, M. thermoacetica -CdS, producerer eddikesyre fra CO ₂ , vand og lys. "Engang dækket med disse små solpaneler, bakterierne kan syntetisere mad, brændstoffer og plast, alle bruger solenergi, " siger Sakimoto. "Disse bakterier udkonkurrerer naturlig fotosyntese."

Bakterierne fungerer med en effektivitet på mere end 80 procent, og processen er selvreplikerende og selvregenererende, gør dette til en teknologi uden spild. "Syntetisk biologi og evnen til at udvide produktomfanget af CO ₂ reduktion vil være afgørende for at gøre denne teknologi til en erstatning, eller en af ​​mange udskiftninger, til den petrokemiske industri, " siger Sakimoto.

Så, har de uorganisk-biologiske hybrider kommercielt potentiale? "Det håber jeg bestemt!" han siger. "Mange nuværende systemer i kunstig fotosyntese kræver solide elektroder, hvilket er en stor omkostning. Vores algebiobrændstoffer er meget mere attraktive, som hele CO ₂ -til-kemiske apparater er selvstændige og kræver kun et stort kar ude i solen." Men han påpeger, at systemet stadig kræver nogle justeringer for at tune både halvlederen og bakterierne. Han foreslår også, at det er muligt, at hybridbakterier, han skabte, kan have en naturligt forekommende analog. "En fremtidig retning, hvis dette fænomen findes i naturen, ville være at bioprospektere for disse organismer og tage dem i brug, " han siger.