Бактерия под названием Moorella thermoacetica не будет работать бесплатно. Но исследователи Калифорнийского университета в Беркли выяснили, что у него есть аппетит к золоту. И в обмен на это особое удовольствие бактерия открыла более эффективный способ производства солнечного топлива посредством искусственного фотосинтеза.
М. thermoacetica впервые дебютировала как первая несветочувствительная бактерия, осуществившая искусственный фотосинтез в исследовании под руководством Пейдонга Янга, профессора Химического колледжа Калифорнийского университета в Беркли. Прикрепив светопоглощающие наночастицы из сульфида кадмия (CdS) к наружной поверхности бактериальной мембраны, исследователи превратили M. thermoacetica в крошечную машину для фотосинтеза, превращающую солнечный свет и углекислый газ в полезные химические вещества.
Теперь Ян и его команда исследователей нашли лучший способ побудить эту жадную до CO2 бактерию стать еще более продуктивной. Поместив светопоглощающие нанокластеры золота внутрь бактерии, они создали биогибридную систему, производящую более высокий выход химических продуктов, чем было продемонстрировано ранее. Исследование, финансируемое Национальным институтом здравоохранения, было опубликовано 1 октября в журнале Nature Nanotechnology.
Для первой гибридной модели, M. thermoacetica-CdS, исследователи выбрали сульфид кадмия в качестве полупроводника из-за его способности поглощать видимый свет. Но поскольку сульфид кадмия токсичен для бактерий, наночастицы должны были быть прикреплены к клеточной мембране «внеклеточно», то есть за пределами M.система термоуксусная кислота-CdS. Солнечный свет возбуждает каждую наночастицу сульфида кадмия, создавая заряженную частицу, известную как электрон. Когда эти генерируемые светом электроны проходят через бактерию, они взаимодействуют с несколькими ферментами в процессе, известном как «восстановление CO2», запуская каскад реакций, которые в конечном итоге превращают CO 2 в ацетат, ценный химикат для производства солнечного топлива.
Но во внеклеточной модели электроны взаимодействуют с другими химическими веществами, которые не участвуют в превращении CO2 в ацетат. И в результате часть электронов теряется и никогда не достигает ферментов. Таким образом, чтобы улучшить то, что известно как «квантовая эффективность», или способность бактерии производить ацетат каждый раз, когда она получает электрон, исследователи нашли другой полупроводник: нанокластеры, состоящие из 22 атомов золота (Au22), материал, который M. thermoacetica принял на удивление сиять.
Мы выбрали Au22, потому что он идеально подходит для поглощения видимого света и может управлять процессом восстановления CO2, но мы не были уверены, будет ли он совместим с бактерии», - сказал Ян.«Когда мы исследовали их под микроскопом, мы обнаружили, что бактерии были загружены этими кластерами Au22 - и все еще были счастливо живы».
Визуализация системы M. thermoacetica-Au22 была сделана в Центре молекулярной визуализации Калифорнийского университета в Беркли.
Исследователи также выбрали Au22, названный исследователями «волшебными» золотыми нанокластерами, из-за его сверхмалых размеров: диаметр одного нанокластера Au22 составляет всего 1 нанометр, что позволяет каждому нанокластеру легко проникать сквозь стенку бактериальной клетки..
Скармливая бактериям нанокластеры Au22, мы эффективно упростили процесс переноса электронов для пути восстановления CO2 внутри бактерий, о чем свидетельствует квантовая эффективность 2,86%. - или на 33 процента больше ацетата, произведенного в системе M. thermoacetica-Au22, чем в модели CdS», - сказал Ян.
Волшебный нанокластер золота - это последнее открытие, сделанное в лаборатории Янга, которая в течение последних шести лет сосредоточилась на использовании биогибридных наноструктур для преобразования CO2 в полезные химические вещества. продолжающихся усилий по поиску доступных и обильных ресурсов для возобновляемых видов топлива и потенциальных решений для предотвращения последствий изменения климата.
«Далее мы хотели бы найти способ снизить затраты, увеличить срок службы этих биогибридных систем и повысить квантовую эффективность», - сказал Ян. «Продолжая изучать фундаментальный аспект фотоактивации нанокластеров золота и следя за процессом переноса электронов в рамках пути восстановления CO2, мы надеемся найти еще лучшие решения».
Соавторами с Янгом являются аспирант Калифорнийского университета в Беркли Хао Чжан и бывший научный сотрудник Хао Лю, которые сейчас работают в Университете Дунхуа в Шанхае, Китай.