Boulder-onderzoekers van de Universiteit van Colorado hebben nanobio-hybride organismen ontwikkeld die in staat zijn om koolstofdioxide en stikstof in de lucht te gebruiken om een ​​verscheidenheid aan kunststoffen en brandstoffen te produceren, een veelbelovende eerste stap in de richting van goedkope koolstofvastlegging en milieuvriendelijke productie van chemicaliën.

Door door licht geactiveerde kwantumstippen te gebruiken om bepaalde enzymen in microbiële cellen af ​​te vuren, de onderzoekers waren in staat om "levende fabrieken" te creëren die schadelijk CO2 opeten en omzetten in nuttige producten zoals biologisch afbreekbaar plastic, benzine, ammoniak en biodiesel.

"De innovatie is een bewijs van de kracht van biochemische processen, " zei Prashant Nagpal, hoofdauteur van het onderzoek en een assistent-professor in CU Boulder's Department of Chemical and Biological Engineering. "We kijken naar een techniek die de CO2-afvang kan verbeteren om klimaatverandering tegen te gaan en op een dag zelfs de koolstofintensieve productie van kunststoffen en brandstoffen kan vervangen."

Het project begon in 2013 toen Nagpal en zijn collega's het brede potentieel van nanoscopische kwantumstippen begonnen te onderzoeken, dat zijn kleine halfgeleiders die lijken op die in televisietoestellen. Quantum dots kunnen passief in cellen worden geïnjecteerd en zijn ontworpen om zich aan gewenste enzymen te hechten en zelf te assembleren en deze enzymen vervolgens op commando te activeren met behulp van specifieke golflengten van licht.

Nagpal wilde zien of kwantumstippen kunnen fungeren als een bougie om bepaalde enzymen in microbiële cellen af ​​te vuren die de middelen hebben om in de lucht zwevende CO2 en stikstof om te zetten, maar doe dit niet van nature vanwege een gebrek aan fotosynthese.

Door de speciaal op maat gemaakte stippen te verspreiden in de cellen van veel voorkomende microbiële soorten die in de bodem worden aangetroffen, Nagpal en zijn collega's overbrugden de kloof. Nutsvoorzieningen, blootstelling aan zelfs kleine hoeveelheden indirect zonlicht zou de CO2-honger van de microben activeren, zonder dat er een energie- of voedselbron nodig is om de energie-intensieve biochemische omzettingen uit te voeren.

"Elke cel maakt miljoenen van deze chemicaliën en we hebben aangetoond dat ze hun natuurlijke opbrengst met bijna 200 procent kunnen overschrijden, ' zei Nagpal.

de microben, die sluimerend in het water liggen, hun resulterende product vrijgeven aan de oppervlakte, waar het kan worden afgeroomd en geoogst voor productie. Verschillende combinaties van stippen en licht produceren verschillende producten:groene golflengten zorgen ervoor dat de bacteriën stikstof consumeren en ammoniak produceren, terwijl rodere golflengten ervoor zorgen dat de microben zich tegoed doen aan CO2 om in plaats daarvan plastic te produceren.

Het proces vertoont ook veelbelovende tekenen om op schaal te kunnen opereren. Uit de studie bleek dat zelfs wanneer de microbiële fabrieken urenlang consequent werden geactiveerd, ze vertoonden weinig tekenen van uitputting of uitputting, wat aangeeft dat de cellen kunnen regenereren en dus de noodzaak van rotatie beperken.

"We waren zeer verrast dat het zo elegant werkte als het deed, "Zei Nagpal. "We zijn net begonnen met de synthetische toepassingen."

Het ideale futuristische scenario, Nagpal zei, zou zijn om eengezinswoningen en bedrijven hun CO2-uitstoot rechtstreeks naar een nabijgelegen vijver te laten leiden, waar microben ze zouden omzetten in een bioplastic. De eigenaren zouden het resulterende product voor een kleine winst kunnen verkopen, terwijl ze in wezen hun eigen ecologische voetafdruk compenseren.

"Zelfs als de marges laag zijn en het niet kan concurreren met petrochemie op pure kostenbasis, er is nog steeds maatschappelijk voordeel om dit te doen, "Zei Nagpal. "Als we zelfs maar een klein deel van de plaatselijke slootvijvers zouden kunnen ombouwen, het zou een aanzienlijke impact hebben op de CO2-uitstoot van steden. Het zou niet veel vragen voor mensen om te implementeren. Velen maken thuis al bier, bijvoorbeeld, en dit is niet ingewikkelder."

De focus nu, hij zei, zal verschuiven naar het optimaliseren van het conversieproces en het aantrekken van nieuwe studenten. Nagpal wil het project in het najaarssemester omzetten in een niet-gegradueerd laboratoriumexperiment. gefinancierd door een CU Boulder Engineering Excellence Fund-subsidie. Nagpal dankt zijn huidige studenten dat ze het project jarenlang hebben volgehouden.

"Het is een lange reis geweest en hun werk is van onschatbare waarde geweest, " zei hij. "Ik denk dat deze resultaten aantonen dat het de moeite waard was."