Подобно тому, как скафандры помогают астронавтам выживать в негостеприимной среде, недавно разработанные «скафандры» для бактерий позволяют им выживать в среде, которая в противном случае могла бы их убить.
Калифорнийский университет в Беркли разработал защитные костюмы для продления жизни бактерий в уникальной системе, которая сочетает живые бактерии со светопоглощающими полупроводниками, чтобы улавливать углекислый газ и превращать его в химические вещества, которые могут использоваться промышленности или, когда-нибудь, в космических колониях.
Система имитирует фотосинтез в растениях. Но в то время как растения улавливают углекислый газ и с помощью энергии солнечного света преобразуют его в углеводы, которые мы часто употребляем в пищу, гибридная система улавливает CO2 и свет, образуя различные соединения углерода, в зависимости от по типу бактерий.
Бактерии, использованные в эксперименте, являются анаэробными, что означает, что они приспособлены к жизни в среде без кислорода. Костюм - лоскутное одеяло из сетчатых элементов, называемых металлоорганическим каркасом, или MOF, - непроницаем для кислорода и реактивных молекул кислорода, таких как перекись, которые сокращают срок их службы..
Гибридная система может быть беспроигрышной для промышленности и окружающей среды: она может улавливать углекислый газ, выбрасываемый электростанциями, и превращать его в полезные продукты. Он также обеспечивает биологический способ производства необходимых химических веществ в искусственной среде, такой как космические корабли и места обитания на других планетах.
«Мы используем наш биогибрид для фиксации CO2 для производства топлива, фармацевтических препаратов и химикатов, а также фиксации азота для производства удобрений», - сказал Пейдун Ян, представитель S. К. и Анджела Чан, почетные заведующие кафедрой энергетики химического факультета Калифорнийского университета в Беркли. «Если Мэтт Деймон хочет выращивать картошку на Марсе, ему нужны удобрения».
Янг, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и содиректор Института нанотехнологий Kavli Energy, имел в виду актера, сыгравшего главного героя в фильме «Марсианин». Персонаж Деймона был выброшен на Марс и вынужден был использовать свои отходы в качестве удобрения, чтобы выращивать картофель для еды.
Исследование, финансируемое НАСА через Центр использования биологической инженерии в космосе Калифорнийского университета в Беркли, будет размещено в Интернете на этой неделе перед публикацией в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Гибрид бактерий и полупроводников
Янг и его коллеги разработали гибридную бактериальную систему за последние пять лет на основе своей работы над светопоглощающими полупроводниками, такими как нанопровода: твердые кремниевые провода диаметром в несколько сотен нанометров, где нанометр составляет миллиардную часть метр. Массивы нанопроводов можно использовать для улавливания света и выработки электроэнергии, обещая дешевые солнечные элементы.
Гибридная система использует преимущества эффективного захвата света полупроводниками для подачи электронов анаэробным бактериям, которые обычно убирают электроны из окружающей среды, чтобы жить. Цель состоит в том, чтобы увеличить улавливание углерода бактериями для производства полезных углеродных соединений.
«Мы связываем этих жуков с полупроводником, который подавляет их электронами, чтобы они могли больше заниматься химией», - сказал Ян. «Но в то же время этот процесс также генерирует все эти активные формы кислорода, которые губительны для жуков. Мы помещаем эти бактерии в оболочку, чтобы, если какая-либо из этих окислительных форм попадала внутрь, эта первая защита, оболочка, разлагалась. их."
Костюм сделан из сетки MOF, которая оборачивает бактерии, покрывая их лоскутами. По словам Янга, в этих костюмах MOF бактерии живут в пять раз дольше при нормальной концентрации кислорода - 21 процент по объему - чем без костюмов, и часто дольше, чем в их естественной среде. Обычный срок их службы составляет от недель до месяцев, после чего их можно смыть из системы и заменить новой партией.
В этом эксперименте исследователи использовали бактерии под названием Morella thermoacetica, которые производят ацетат (уксусную кислоту или уксус), распространенный прекурсор в химической промышленности. Еще одна из их тестовых бактерий, Sporomusa ovata, также производит ацетат.
«Мы выбрали эти анаэробные бактерии, потому что их селективность по отношению к одному химическому продукту всегда составляет 100 процентов», - сказал он. «В нашем случае мы выбрали жука, который дает нам ацетат. Но вы можете выбрать другого жука, который даст вам метан или спирт».
На самом деле, бактерии, которые сбраживают алкоголь в пиве и вине и превращают молоко в сыр и йогурт, являются анаэробами.
В то время как первые эксперименты Янга с гибридной системой соединяли бактерии с щетиной из кремниевых нанопроволок, в 2016 году он обнаружил, что кормление бактерий кадмием побуждает их украшать себя природным полупроводником, сульфидом кадмия, который действует как эффективный источник света. поглотитель, питающий бактерии электронами.
В текущем эксперименте исследователи взяли бактерии, украшенные сульфидом кадмия, и покрыли их гибким слоем MOF толщиной в один нанометр. В то время как жесткий MOF мешал нормальному процессу роста и деления бактерий, пластырь MOF на основе циркония оказался достаточно мягким, чтобы позволить бактериям набухать и делиться, все еще покрытые MOF, после чего новый MOF в растворе восстанавливался. одел их.
«Вы можете думать о 2D MOF как о листе графена: однослойном плаще, покрывающем бактерии», - сказал соавтор Омар Яги, пионер MOF и председатель Джеймса и Нилтье Треттер. на кафедре химии. «2D MOF плавает в растворе с бактериями, и по мере размножения бактерий они покрываются слоем 2D MOF, поэтому он защищает бактерии от кислорода».
Янг и его коллеги также работают над повышением эффективности гибридной системы по захвату света, переносу электронов и производству определенных соединений. Они предполагают объединить эти оптимизированные возможности с новыми метаболическими путями этих бактерий для производства еще более сложных молекул.
Как только вы зафиксируете или активируете CO2 - и это самая сложная часть - вы сможете использовать многие существующие химические и биологические подходы, чтобы превратить их в топливо, фармацевтические препараты и сырьевые товары. химические вещества, - сказал он.