Net zoals ruimtepakken astronauten helpen te overleven in onherbergzame omgevingen, nieuw ontwikkelde "ruimtepakken" voor bacteriën stellen hen in staat te overleven in omgevingen die hen anders zouden doden.

Universiteit van Californië, Berkeley, scheikundigen ontwikkelden de beschermende pakken om de levensduur van de bacteriën te verlengen in een uniek systeem dat levende bacteriën combineert met lichtabsorberende halfgeleiders om koolstofdioxide op te vangen en om te zetten in chemicaliën die kunnen worden gebruikt door de industrie of, ooit, in ruimtekolonies.

Het systeem bootst de fotosynthese in planten na. Maar terwijl planten koolstofdioxide opvangen en, met de energie van zonlicht, omzetten in koolhydraten die we vaak eten, het hybride systeem vangt CO2 en licht op om een ​​verscheidenheid aan koolstofverbindingen te maken, afhankelijk van het type bacterie.

De bacteriën die in het experiment worden gebruikt, zijn anaëroob, wat betekent dat ze zijn aangepast om te leven in omgevingen zonder zuurstof. Het pak - een lappendeken van gaasachtige stukken die een metaal-organisch raamwerk wordt genoemd, of MOF - is ondoordringbaar voor zuurstof en reactieve zuurstofmoleculen, zoals peroxide, die hun levensduur verkorten.

Het hybride systeem kan een win-winsituatie zijn voor de industrie en het milieu:het kan de door elektriciteitscentrales uitgestoten kooldioxide opvangen en omzetten in bruikbare producten. Het biedt ook een biologische manier om de benodigde chemicaliën te produceren in kunstmatige omgevingen zoals ruimteschepen en habitats op andere planeten.

"We gebruiken onze biohybride om CO2 vast te leggen om brandstoffen te maken, farmaceutica en chemicaliën, en ook stikstofbinding om kunstmest te maken, " zei Peidong Yang, de S.K. en Angela Chan Distinguished Chair in Energy in de afdeling Chemie van UC Berkeley. "Als Matt Damon aardappelen wil telen op Mars, hij heeft kunstmest nodig."

Yang, een faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory en een mededirecteur van het Kavli Energy Nanoscience Institute, verwees naar de acteur die de hoofdrol speelde in de film The Martian. Damon's karakter was gestrand op Mars en moest zijn eigen afval gebruiken als meststof om aardappelen voor voedsel te verbouwen.

Het onderzoek, gefinancierd door NASA via UC Berkeley's Center for the Utilization of Biological Engineering in Space, wordt deze week voorafgaand aan publicatie in het tijdschrift online geplaatst Proceedings van de National Academy of Sciences .

Een hybride van bacteriën en halfgeleiders

Yang en zijn collega's hebben het hybride bacteriële systeem de afgelopen vijf jaar ontwikkeld op basis van hun werk aan lichtabsorberende halfgeleiders zoals nanodraden:massieve draden van silicium met een diameter van een paar honderd nanometer, waarbij een nanometer een miljardste van een meter is. Arrays van nanodraden kunnen worden gebruikt om licht op te vangen en elektriciteit op te wekken, veelbelovende goedkope zonnecellen.

Het hybride systeem maakt gebruik van efficiënte lichtopvang door halfgeleiders om elektronen aan anaërobe bacteriën te voeden, die normaal gesproken elektronen uit hun omgeving wegvangen om te leven. Het doel is om de koolstofopname door de bacteriën te stimuleren om bruikbare koolstofverbindingen te produceren.

"We verbinden deze bugs met een halfgeleider die ze overspoelt met elektronen, zodat ze meer scheikunde kunnen doen, Yang zei. "Maar tegelijkertijd genereert dit proces ook al deze reactieve zuurstofsoorten, die schadelijk zijn voor de bugs. We stoppen deze bacteriën in een schaal, zodat als een van deze oxidatieve soorten binnenkomt, deze eerste verdediging, de schelp, ontleedt ze."

Het pak is gemaakt van een MOF-gaas dat zich om de bacteriën wikkelt, bedekt het in lappen. Met deze MOF-pakken, de bacteriën leven vijf keer langer bij normale zuurstofconcentraties - 21 volumeprocent - dan zonder de pakken, en vaak langer dan in hun natuurlijke omgeving, zei Yang. Hun normale levensduur varieert van weken tot maanden, waarna ze uit het systeem kunnen worden gespoeld en vervangen door een nieuwe batch.

In dit experiment, de onderzoekers gebruikten bacteriën genaamd Morella thermoacetica, die acetaat produceren (azijnzuur, of azijn), een veel voorkomende voorloper in de chemische industrie. Nog een van hun testbacteriën, Sporomusa ovata, produceert ook acetaat.

"We hebben deze anaërobe bacteriën gekozen omdat hun selectiviteit voor één chemisch product altijd 100 procent is, "zei hij. "In ons geval, we kozen een insect dat ons acetaat geeft. Maar je zou een andere bug kunnen kiezen om je methaan of alcohol te geven."

In feite, de bacteriën die de alcohol in bier en wijn fermenteren en melk omzetten in kaas en yoghurt zijn allemaal anaëroob.

Terwijl Yang's eerste experimenten met het hybride systeem bacteriën combineerden met een borstel van silicium nanodraden, in 2016 ontdekte hij dat het voeden van de bacterie cadmium hen aanmoedigde om zichzelf te versieren met een natuurlijke halfgeleider, cadmiumsulfide, dat fungeert als een efficiënte lichtabsorbeerder die de bacterie-elektronen voedt.

In het huidige experiment de onderzoekers namen bacteriën versierd met cadmiumsulfide en omhulden ze met een flexibel, een nanometer dikke laag MOF. Terwijl een rigide MOF het normale groei- en splitsingsproces van de bacterie verstoorde, een op zirkonium gebaseerde MOF-pleister bleek zacht genoeg te zijn om de bacteriën te laten zwellen en te delen terwijl ze nog steeds bekleed waren met MOF, waarna nieuwe MOF in de oplossing hen opnieuw kleedde.

"Je kunt de 2-D MOF zien als een vel grafeen:een eenlaagse dikke mantel die de bacteriën bedekt, " zei co-auteur Omar Yaghi, een pionier op het gebied van MOF's en de James en Neeltje Tretter-leerstoel in de afdeling Scheikunde. "De 2-D MOF drijft in oplossing met de bacteriën, en terwijl de bacteriën zich vermenigvuldigen, worden ze verder bedekt met de 2-D MOF-laag, dus het beschermt de bacteriën tegen zuurstof."

Yang en zijn collega's werken ook aan het verbeteren van de efficiëntie van het opvangen van licht door het hybride systeem. elektronenoverdracht en productie van specifieke verbindingen. Ze stellen zich voor om deze geoptimaliseerde mogelijkheden te combineren met nieuwe metabole routes in deze bacteriën om steeds complexere moleculen te produceren.

"Als je CO2 eenmaal hebt opgelost of geactiveerd - en dat is het moeilijkste deel - kun je veel bestaande chemische en biologische benaderingen gebruiken om ze op te waarderen tot brandstoffen, farmaceutische producten en basischemicaliën, " hij zei.