Фотосинтез обеспечивает энергией подавляющее большинство живых существ на Земле. Но хлорофилл, зеленый пигмент, который растения используют для сбора солнечного света, относительно неэффективен. Чтобы люди могли улавливать больше солнечной энергии, чем это может сделать естественный фотосинтез, ученые научили бактерии покрывать себя крошечными высокоэффективными солнечными панелями для производства полезных соединений..
Исследователи представляют свою работу сегодня на 254-м Национальном собрании и выставке Американского химического общества (ACS).
«Вместо того, чтобы полагаться на неэффективный хлорофилл для сбора солнечного света, я научил бактерии расти и покрывать свои тела крошечными полупроводниковыми нанокристаллами», - говорит Келси К. Сакимото, доктор философии, которая провела исследование. в лаборатории Peidong Yang, Ph. D. «Эти нанокристаллы гораздо более эффективны, чем хлорофилл, и их можно выращивать за долю стоимости производства солнечных панелей».
Человечество все чаще ищет альтернативы ископаемому топливу в качестве источника энергии и сырья для химического производства. Многие ученые работали над созданием искусственных фотосинтетических систем для получения возобновляемой энергии и простых органических химикатов с использованием солнечного света. Был достигнут прогресс, но системы недостаточно эффективны для коммерческого производства топлива и сырья.
Исследования в лаборатории Янга в Калифорнийском университете в Беркли, где Сакимото получил докторскую степень, сосредоточены на использовании неорганических полупроводников, которые могут улавливать солнечный свет для таких организмов, как бактерии, которые затем могут использовать энергию для производства полезных химических веществ. из углекислого газа и воды.«Направление исследований в моей лаборатории состоит в том, чтобы по существу «перезарядить» нефотосинтезирующие бактерии, обеспечив их энергией в виде электронов из неорганических полупроводников, таких как сульфид кадмия, которые являются эффективными поглотителями света», - говорит Ян. «Сейчас мы ищем более безопасные поглотители света, чем сульфид кадмия, чтобы обеспечить бактерии энергией света».
Сакимото работал с встречающейся в природе нефотосинтезирующей бактерией Moorella thermoacetica, которая в процессе нормального дыхания вырабатывает уксусную кислоту из углекислого газа (CO2). Уксусная кислота является универсальным химическим веществом, которое можно легко превратить в ряд видов топлива, полимеров, фармацевтических препаратов и товарных химикатов с помощью дополнительных, генетически модифицированных бактерий.
Когда Сакимото давал кадмий и аминокислоту цистеин, содержащую атом серы, бактериям, они синтезировали наночастицы сульфида кадмия (CdS), которые функционируют как солнечные панели на их поверхности. Гибридный организм, M. thermoacetica -CdS, производит уксусную кислоту из CO2, воды и света. «Оказавшись покрытыми этими крошечными солнечными панелями, бактерии могут синтезировать пищу, топливо и пластик, используя солнечную энергию», - говорит Сакимото. «Эти бактерии превосходят естественный фотосинтез».
Бактерии работают с эффективностью более 80 процентов, и процесс является самовоспроизводящимся и самовосстанавливающимся, что делает эту технологию безотходной. «Синтетическая биология и возможность расширения ассортимента продукции для снижения выбросов CO2 будут иметь решающее значение для того, чтобы эта технология стала заменой или одной из многих замен нефтехимической промышленности», - говорит Сакимото..
Итак, есть ли у неоргано-биологических гибридов коммерческий потенциал? "Я очень на это надеюсь!" он говорит. «Многие современные системы искусственного фотосинтеза требуют твердых электродов, что требует огромных затрат. Наше биотопливо из водорослей гораздо привлекательнее, поскольку весь аппарат преобразования CO2 в химический является автономным и требуется только большой чан на солнце. Но он указывает, что система все еще требует некоторой настройки для настройки как полупроводника, так и бактерий. Он также предполагает, что, возможно, созданные им гибридные бактерии могут иметь какой-то природный аналог. «Будущее направление, если это явление существует. в природе, будет заключаться в биоразведке этих организмов и использовании их», - говорит он.
Видео об исследовании доступно по адресу