Fotosynthese levert energie voor de overgrote meerderheid van het leven op aarde. Maar chlorofyl, het groene pigment dat planten gebruiken om zonlicht te oogsten, is relatief inefficiënt. Om mensen in staat te stellen meer van de zonne-energie op te vangen dan natuurlijke fotosynthese kan, wetenschappers hebben bacteriën geleerd om zichzelf te bedekken met kleine, zeer efficiënte zonnepanelen om nuttige verbindingen te produceren.

De onderzoekers presenteren hun werk vandaag op de 254e National Meeting &Exposition van de American Chemical Society (ACS).

"In plaats van te vertrouwen op inefficiënt chlorofyl om zonlicht te oogsten, Ik heb bacteriën geleerd hoe te groeien en hun lichaam te bedekken met kleine halfgeleider nanokristallen, " zegt Kelsey K. Sakimoto, doctoraat, die het onderzoek deed in het lab van Peidong Yang, doctoraat "Deze nanokristallen zijn veel efficiënter dan chlorofyl en kunnen worden gekweekt tegen een fractie van de kosten van gefabriceerde zonnepanelen."

Mensen zijn steeds meer op zoek naar alternatieven voor fossiele brandstoffen als energiebronnen en grondstoffen voor chemische productie. Veel wetenschappers hebben gewerkt aan het creëren van kunstmatige fotosynthetische systemen om hernieuwbare energie en eenvoudige organische chemicaliën te genereren met behulp van zonlicht. Er is vooruitgang geboekt, maar de systemen zijn niet efficiënt genoeg voor de commerciële productie van brandstoffen en grondstoffen.

Onderzoek in het lab van Yang aan de Universiteit van Californië, Berkeley, waar Sakimoto zijn Ph.D. behaalde, richt zich op het benutten van anorganische halfgeleiders die zonlicht kunnen opvangen voor organismen zoals bacteriën die vervolgens de energie kunnen gebruiken om nuttige chemicaliën te produceren uit koolstofdioxide en water. "De strekking van het onderzoek in mijn laboratorium is om in wezen niet-fotosynthetische bacteriën te 'superchargen' door ze energie te leveren in de vorm van elektronen van anorganische halfgeleiders, zoals cadmiumsulfide, die efficiënte lichtabsorbers zijn, " zegt Yang. "We zijn nu op zoek naar meer goedaardige lichtabsorbers dan cadmiumsulfide om bacteriën te voorzien van energie uit licht."

Sakimoto werkte met een natuurlijk voorkomende, niet-fotosynthetische bacterie, Moorella thermoacetica , die, als onderdeel van zijn normale ademhaling, produceert azijnzuur uit kooldioxide (CO ₂ ). Azijnzuur is een veelzijdige chemische stof die gemakkelijk kan worden opgewaardeerd tot een aantal brandstoffen, polymeren, farmaceutische producten en basischemicaliën via complementaire, genetisch gemanipuleerde bacteriën.

Toen Sakimoto cadmium en het aminozuur cysteïne voedde, die een zwavelatoom bevat, aan de bacteriën, ze synthetiseerden cadmiumsulfide (CdS) nanodeeltjes, die op hun oppervlak als zonnepanelen fungeren. Het hybride organisme, M. thermoacetica -CdS, produceert azijnzuur uit CO ₂ , water en licht. "Eenmaal bedekt met deze kleine zonnepanelen, de bacteriën kunnen voedsel synthetiseren, brandstoffen en kunststoffen, allemaal op zonne-energie, " zegt Sakimoto. "Deze bacteriën presteren beter dan natuurlijke fotosynthese."

De bacteriën werken met een efficiëntie van meer dan 80 procent, en het proces is zelfreplicerend en zelfherstellend, waardoor dit een zero-waste technologie is. "Synthetische biologie en de mogelijkheid om de productomvang van CO . uit te breiden ₂ reductie zal cruciaal zijn om deze technologie klaar te stomen voor vervanging, of een van de vele vervangingen, voor de petrochemische industrie, ' zegt Sakimoto.

Dus, hebben de anorganisch-biologische hybriden commercieel potentieel? "Ik hoop het echt!" hij zegt. "Veel huidige systemen in kunstmatige fotosynthese vereisen vaste elektroden, wat een enorme kostenpost is. Onze algenbiobrandstoffen zijn veel aantrekkelijker, als de hele CO ₂ -naar-chemische apparatuur is op zichzelf staand en vereist alleen een groot vat in de zon. "Maar hij wijst erop dat het systeem nog wat aanpassingen vereist om zowel de halfgeleider als de bacteriën af te stemmen. Hij suggereert ook dat het mogelijk is dat de hybride bacteriën die hij creëerde, kunnen een natuurlijk voorkomende analoog hebben. als dit fenomeen in de natuur bestaat, zou zijn om bioprospect voor deze organismen en ze te gebruiken, " hij zegt.