Lysdrevne nano-organismer forbruger CO2, skabe miljøvenlig plast og brændstof

University of Colorado Boulder forskere har udviklet nanobio-hybride organismer, der er i stand til at bruge luftbåren kuldioxid og nitrogen til at producere en række plastik og brændstoffer, et lovende første skridt mod lavpris kulstofbinding og miljøvenlig fremstilling af kemikalier.

Ved at bruge lysaktiverede kvanteprikker til at affyre bestemte enzymer i mikrobielle celler, forskerne var i stand til at skabe "levende fabrikker", der spiser skadelig CO2 og omdanner det til nyttige produkter såsom bionedbrydelig plast, benzin, ammoniak og biodiesel.

"Innovationen er et vidnesbyrd om styrken af ​​biokemiske processer, " sagde Prashant Nagpal, hovedforfatter af forskningen og en adjunkt i CU Boulders afdeling for kemi og biologisk teknik. "Vi kigger på en teknik, der kan forbedre CO2-opsamlingen for at bekæmpe klimaændringer og en dag endda potentielt erstatte kulstofintensiv produktion af plastik og brændstoffer."

Projektet startede i 2013, da Nagpal og hans kolleger begyndte at udforske det brede potentiale af nanoskopiske kvanteprikker, som er bittesmå halvledere, der ligner dem, der bruges i fjernsynsapparater. Kvanteprikker kan injiceres passivt i celler og er designet til at hæfte og samle sig selv til ønskede enzymer og derefter aktivere disse enzymer på kommando ved hjælp af specifikke bølgelængder af lys.

Nagpal ønskede at se, om kvanteprikker kunne fungere som et tændrør til at affyre bestemte enzymer i mikrobielle celler, der har midlerne til at omdanne luftbåren CO2 og nitrogen, men gør det ikke naturligt på grund af manglende fotosyntese.

Ved at sprede de specielt skræddersyede prikker ind i cellerne fra almindelige mikrobielle arter, der findes i jorden, Nagpal og hans kolleger byggede bro over kløften. Nu, udsættelse for selv små mængder indirekte sollys ville aktivere mikrobernes CO2-appetit, uden behov for nogen energikilde eller mad til at udføre de energikrævende biokemiske omdannelser.

"Hver celle laver millioner af disse kemikalier, og vi viste, at de kunne overstige deres naturlige udbytte med næsten 200 procent, " sagde Nagpal.

Mikroberne, som ligger i dvale i vand, frigive deres resulterende produkt til overfladen, hvor det kan skummes af og høstes til fremstilling. Forskellige kombinationer af prikker og lys producerer forskellige produkter:Grønne bølgelængder får bakterierne til at indtage nitrogen og producere ammoniak, mens rødere bølgelængder får mikroberne til at feste sig for CO2 for i stedet at producere plastik.

Processen viser også lovende tegn på at kunne operere i stor skala. Undersøgelsen viste, at selv når de mikrobielle fabrikker blev aktiveret konsekvent i timer ad gangen, de viste få tegn på udmattelse eller udtømning, hvilket indikerer, at cellerne kan regenerere og dermed begrænse behovet for rotation.

"Vi var meget overraskede over, at det fungerede så elegant, som det gjorde, " sagde Nagpal. "Vi er lige begyndt med de syntetiske applikationer."

Det ideelle futuristiske scenarie, Nagpal sagde, ville være at få enfamiliehuse og virksomheder til at lede deres CO2-udledning direkte til en nærliggende dam, hvor mikrober ville omdanne dem til en bioplast. Ejerne ville være i stand til at sælge det resulterende produkt for en lille fortjeneste, mens de i det væsentlige opvejer deres eget CO2-fodaftryk.

"Selv om marginerne er lave, og det ikke kan konkurrere med petrokemikalier på en ren omkostningsbasis, der er stadig samfundsmæssig fordel ved at gøre dette, " sagde Nagpal. "Hvis vi kunne omdanne selv en lille brøkdel af lokale grøftedamme, det ville have en betydelig indvirkning på byernes CO2-output. Det ville ikke kræve meget for folk at implementere. Mange laver allerede øl derhjemme, for eksempel, og det er ikke mere kompliceret."

Fokus nu, han sagde, vil skifte til at optimere konverteringsprocessen og ansætte nye bachelorstuderende. Nagpal søger at konvertere projektet til et bachelor-labeksperiment i efterårssemesteret, finansieret af et tilskud fra CU Boulder Engineering Excellence Fund. Nagpal krediterer sine nuværende studerende med at holde fast i projektet i løbet af mange år.

"Det har været en lang rejse, og deres arbejde har været uvurderligt, " sagde han. "Jeg tror, ​​at disse resultater viser, at det var det værd."