Høst solbrændstoffer gennem en bakterie usædvanlig appetit på guld

En bakterie ved navn Moorella thermoacetica virker ikke gratis. Men UC Berkeley -forskere har fundet ud af, at den har en appetit på guld. Og i bytte for denne særlige godbid, bakterien har afsløret en mere effektiv vej til at producere solbrændstoffer gennem kunstig fotosyntese.

M. thermoacetica debuterede først som den første ikke-lysfølsomme bakterie, der udførte kunstig fotosyntese i en undersøgelse ledet af Peidong Yang, en professor i UC Berkeley's College of Chemistry. Ved at fastgøre lysabsorberende nanopartikler fremstillet af cadmiumsulfid (CdS) til bakteriemembranens ydre, forskerne gjorde M. thermoacetica til en lille fotosyntesemaskine, omdanne sollys og kuldioxid til nyttige kemikalier.

Nu har Yang og hans team af forskere fundet en bedre måde at lokke denne CO2-sultne bakterie til at blive endnu mere produktiv. Ved at placere lysabsorberende guldnanokluster inde i bakterien, de har skabt et biohybridsystem, der producerer et højere udbytte af kemiske produkter end tidligere påvist. Forskningen, finansieret af National Institutes of Health, blev offentliggjort den 1. oktober i Naturnanoteknologi .

For den første hybridmodel, M. thermoacetica-CdS, forskerne valgte cadmiumsulfid som halvleder for sin evne til at absorbere synligt lys. Men fordi cadmiumsulfid er giftigt for bakterier, nanopartiklerne skulle fastgøres til cellemembranen "ekstracellulært, "eller uden for M. thermoacetica-CdS-systemet. Sollys ophidser hver cadmiumsulfid-nanopartikel til at generere en ladet partikel kendt som en elektron. Da disse lysgenererede elektroner bevæger sig gennem bakterien, de interagerer med flere enzymer i en proces kendt som "CO2 -reduktion, "udløser en kaskade af reaktioner, der til sidst gør CO2 til acetat, et værdifuldt kemikalie til fremstilling af solbrændstoffer.

Men inden for den ekstracellulære model, elektronerne ender med at interagere med andre kemikalier, der ikke har nogen rolle i at omdanne CO2 til acetat. Og som et resultat, nogle elektroner går tabt og når aldrig enzymerne. Så for at forbedre det, der er kendt som "kvanteeffektivitet, "eller bakteriens evne til at producere acetat hver gang den får en elektron, forskerne fandt en anden halvleder:nanokluster lavet af 22 guldatomer (Au22), et materiale, som M. thermoacetica tog en overraskende glans til.

"Vi valgte Au22, fordi det er ideelt til at absorbere synligt lys og har potentiale til at drive CO2 -reduktionsprocessen, men vi var ikke sikre på, om det ville være kompatibelt med bakterierne, "Sagde Yang." Da vi inspicerede dem under mikroskopet, vi opdagede, at bakterierne var fyldt med disse Au22 -klynger - og stadig levede lykkeligt. "

Billeddannelse af M. thermoacetica-Au22-systemet blev udført på UC Berkeleys Molecular Imaging Center.

Forskerne valgte også Au22 ¬- kaldet af forskerne som "magiske" guld-nanokluster- for sin ultralette størrelse:Et enkelt Au22-nanokluster er kun 1 nanometer i diameter, tillader hver nanokluster let at glide gennem bakteriecellevæggen.

"Ved at fodre bakterier med Au22 -nanokluster, vi har effektivt strømlinet elektronoverførselsprocessen til CO2 -reduktionsvejen inde i bakterierne, som det fremgår af en 2,86 procent kvanteeffektivitet-eller 33 procent mere acetat produceret inden for M. thermoacetica-Au22-systemet end CdS-modellen, "Sagde Yang.

Det magiske guld -nanokluster er den seneste opdagelse, der kommer ud af Yangs laboratorium, som i de sidste seks år har fokuseret på at bruge biohybrid nanostrukturer til at omdanne CO2 til nyttige kemikalier som led i en løbende indsats for at finde overkommelige, rigelige ressourcer til vedvarende brændstoffer, og potentielle løsninger til at modvirke virkningerne af klimaændringer.

"Næste, vi vil gerne finde en måde at reducere omkostninger, forbedre levetiden for disse biohybride systemer, og forbedre kvanteeffektivitet, "Sagde Yang." Ved at fortsætte med at se på det grundlæggende aspekt af, hvordan guldnanokluster fotoaktiveres, og ved at følge elektronoverførselsprocessen inden for CO2 -reduktionsvejen, vi håber at finde endnu bedre løsninger. "