Rumdragter beskytter mikrober, der er bestemt til at leve i rummet

Ligesom rumdragter hjælper astronauter med at overleve i ugæstfrie omgivelser, nyudviklede "rumdragter" til bakterier giver dem mulighed for at overleve i miljøer, der ellers ville dræbe dem.

University of California, Berkeley, kemikere udviklede beskyttelsesdragterne til at forlænge bakteriernes levetid i et unikt system, der parrer levende bakterier med lysabsorberende halvledere for at opfange kuldioxid og omdanne det til kemikalier, der kan bruges af industrien eller, en skønne dag, i rumkolonier.

Systemet efterligner fotosyntese i planter. Men mens planter fanger kuldioxid og, med energien fra sollys, omdanne det til kulhydrater, som vi ofte spiser, hybridsystemet fanger CO2 og lys for at lave en række kulstofforbindelser, afhængigt af bakterietypen.

Bakterierne brugt i forsøget er anaerobe, hvilket betyder, at de er tilpasset til at leve i miljøer uden ilt. Dragten-et patchwork af netlignende stykker kaldet en metal-organisk ramme, eller MOF - er uigennemtrængelig for oxygen og reaktive oxygenmolekyler, som peroxid, som forkorter deres levetid.

Hybridsystemet kan være en win-win for industrien og miljøet:Det kan opfange kuldioxid udledt af kraftværker og gøre det til nyttige produkter. Det giver også en biologisk måde at producere nødvendige kemikalier i kunstige miljøer såsom rumskibe og levesteder på andre planeter.

"Vi bruger vores biohybrid til at fikse CO2 til at lave brændstoffer, lægemidler og kemikalier, og også nitrogenfiksering til fremstilling af gødning, " sagde Peidong Yang, S. K. og Angela Chan Distinguished Chair in Energy i UC Berkeley's Department of Chemistry. "Hvis Matt Damon vil dyrke kartofler på Mars, han har brug for gødning. "

Yang, en fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory og en meddirektør for Kavli Energy Nanoscience Institute, henviste til skuespilleren, der spillede hovedpersonen i filmen The Martian. Damons karakter var havnet på Mars og måtte bruge sit eget affald som gødning til at dyrke kartofler til mad.

Forskningen, finansieret af NASA gennem UC Berkeleys Center for Udnyttelse af Biologisk Engineering i Rummet, vil blive lagt online i denne uge forud for offentliggørelse i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

En hybrid af bakterier og halvleder

Yang og hans kolleger udviklede det hybride bakteriesystem i løbet af de sidste fem år baseret på deres arbejde med lysabsorberende halvledere såsom nanotråde:massive tråde af silicium på et par hundrede nanometer på tværs, hvor en nanometer er en milliardtedel af en meter. Arrays af nanotråde kan bruges til at fange lys og generere elektricitet, lover billige solceller.

Hybridsystemet udnytter effektiv lysindfangning af halvledere til at tilføre elektroner til anaerobe bakterier, som normalt fjerner elektroner fra deres miljø for at leve. Målet er at øge bakteriernes kulstoffangst for at udskille nyttige kulstofforbindelser.

"Vi forbinder disse fejl med en halvleder, der overvælder dem med elektroner, så de kan mere kemi, " sagde Yang. "Men på samme tid genererer denne proces også alle disse reaktive oxygenarter, som er skadelige for fejlene. Vi lægger disse bakterier i en skal, så hvis nogen af ​​disse oxidative arter kommer ind, dette første forsvar, skallen, nedbryder dem."

Dragten er lavet af et MOF mesh, der omslutter bakterierne, dækker det i pletter. Iført disse MOF-dragter, bakterierne lever fem gange længere ved normale iltkoncentrationer - 21 volumenprocent - end uden dragterne, og ofte længere end i deres naturlige miljø, sagde Yang. Deres normale levetid varierer fra uger til måneder, hvorefter de kan skylles ud af systemet og erstattes med et nyt parti.

I dette eksperiment, forskerne brugte bakterier kaldet Morella thermoacetica, som producerer acetat (eddikesyre, eller eddike) en almindelig forløber i den kemiske industri. Endnu en af ​​deres testbakterier, Sporomusa ovata, producerer også acetat.

"Vi valgte disse anaerobe bakterier, fordi deres selektivitet over for et kemisk produkt altid er 100 procent, sagde han. I vores tilfælde, vi plukkede en fejl, der giver os acetat. Men du kan vælge en anden fejl til at give dig metan eller alkohol."

Faktisk, bakterierne, der gærer alkoholen i øl og vin og forvandler mælk til ost og yoghurt, er alle anaerobe.

Mens Yangs første eksperimenter med hybridsystemet parrede bakterier med et børstehår af silicium -nanotråde, i 2016 opdagede han, at fodring af bakterierne med cadmium tilskyndede dem til at dekorere sig selv med en naturlig halvleder, cadmiumsulfid, der fungerer som en effektiv lysabsorber, der fodrer bakterierne elektroner.

I det nuværende forsøg, forskerne tog bakterier dekoreret med cadmiumsulfid og indhyllede dem med en fleksibel, et nanometer tykt lag MOF. Mens en stiv MOF forstyrrede bakteriens normale vækst- og spaltningsproces, et zirkoniumbaseret MOF-plaster viste sig at være blødt nok til at lade bakterierne svulme og dele sig, mens de stadig var klædt med MOF, hvorefter ny MOF i løsningen omklædte dem.

"Du kan tænke på 2-D MOF som et ark grafen:en et-lags tyk kappe, der dækker bakterierne, " sagde medforfatter Omar Yaghi, en pioner for MOF'er og James og Neeltje Tretter-stolen i Kemisk Institut. "2-D MOF'en flyder i opløsning med bakterierne, og når bakterierne replikerer, dækkes de yderligere med 2-D MOF-laget, så det beskytter bakterierne mod ilt. "

Yang og hans kolleger arbejder også på at forbedre hybridsystemets effektivitet af lysindfangning, elektronoverførsel og produktion af specifikke forbindelser. De forestiller sig at kombinere disse optimerede egenskaber med nye metaboliske veje i disse bakterier for at producere stadig mere komplekse molekyler.

"Når du fikser eller aktiverer CO2 - og det er den sværeste del - kan du bruge mange eksisterende kemiske og biologiske tilgange til at opgradere dem til brændstoffer, lægemidler og råvarekemikalier, " han sagde.