Konstruerede bakterielle biofilm, der immobiliserer nanopartikler, muliggør forskellige katalytiske applikationer

Immobilisering betragtes som en gennemførlig strategi til at håndtere toksicitet og nanomaterialeforurening, som nanokatalysatorer konfronteres med i praktiske anvendelser. Et forskerhold fra ShanghaiTech University høstede genetisk manipuleret Escherichia coli biofilm som levende substrater for at immobilisere nanoskala katalysatorer. Biofilmmatrixen giver en godartet og robust grænseflade mellem nanokatalysatorer og levende celler, hvorpå tre afstembare og genanvendelige katalytiske reaktionssystemer er blevet demonstreret.

Objekter i nanoskala (1-100 nm) er ønskværdige nanokatalysatorer med mere katalytiske aktive steder på grund af højere overflade-areal-til-volumen-forhold. Naturen i nanoskala bringer flere medfølgende udfordringer såsom lækage af nanokatalysatorer til det omgivende miljø og vanskeligheder med at genbruge nanokatalysatorer over gentagne reaktionscyklusser. En vigtig strategi til at løse disse udfordringer har været immobilisering af nanoobjekter på forskellige substrater via en række teknologiske tilgange. Imidlertid, uorganiske og bio-afledte eller bio-inspirerede substrater mangler åbenbart "kun-biologiske" egenskaber som selvregenerering, cellulær vækst-baseret skalerbarhed, og cellers evne til at biosyntetisere komplekse enzymer, underlag, co-enzymer, eller andre nødvendige reagenser eller reaktionskomponenter in situ. I øvrigt, undersøgelser, der har immobiliseret nano-objekter direkte på celleoverflader, har rapporteret skader på celler.

Zhong-gruppen fra Materials and Physical Biology Division, på ShanghaiTech University har gjort et stort konceptuelt fremskridt i udviklingen af ​​en ny abiotisk/biotisk grænseflade mod integration og immobilisering af objekter i nanoskala med levende celler til katalyse. Meget kort, de viste med succes, hvordan konstruerede amyloidmonomerer udtrykte, udskilles og samles i den ekstracellulære matrix af levende Escherichia coli ( E coli ) biofilm kan udnyttes til at forankre funktionelle katalysatorer i nanoskala for at gøre yderst effektive, skalerbar, indstillelig, og genanvendelige levende katalysatorsystemer. I deres proof-of-concept undersøgelser, de har demonstreret tre simple katalytiske systemer, herunder biofilm-forankrede guld-nanopartikler for at nedbryde det forurenende stof p-nitrophenol, biofilm-forankret hybrid Cd _0,9 Zn _0,1 S quantum dots (QD'er) og guld nanopartikler for effektivt at nedbryde organiske farvestoffer, og biofilm-forankrede CdSeS@ZnS QD'er i et semi-kunstigt fotosyntesesystem med dobbelt bakteriestamme til brintproduktion. Som afsløret i deres undersøgelser, den ekstracellulære matrix i biofilm giver faktisk et ideelt miljø for grænseflader og forankring af nanoobjekter til direkte katalyse og for deres integration med metabolismen af ​​levende celler:selv efter flere runder af reaktioner, nano-katalysatorer var stadig robust forankret til biofilm og E coli celler var stadig i live for nem regenerering. Vigtigt, en sådan tilgang ville åbne op for de ekstremt kraftfulde og unikke egenskaber ved levende systemer.

Der er en stor mangfoldighed af bakterielle biofilm med forskellige funktionaliteter i naturen, og deres undersøgelse lægger således det konceptuelle grundlag for at koble disse levende materialers unikke dynamiske egenskaber og kapaciteter med de meget reaktive nanopartikler for innovativt at løse udfordringer inden for bioremediering, biokonvertering, og energi. Deres forskning vil anspore til yderligere forskning for at skabe mere effektive og industrielt vigtige reaktionssystemer ved at bygge og integrere mere indviklede biofilm/uorganiske hybride katalytiske systemer.