Immobilisatie wordt beschouwd als een haalbare strategie voor het aanpakken van toxiciteit en vervuiling door nanomaterialen waarmee nanokatalysatoren in praktische toepassingen worden geconfronteerd. Een onderzoeksteam van de ShanghaiTech University heeft genetisch gemanipuleerd Escherichia coli biofilms als levende substraten om katalysatoren op nanoschaal te immobiliseren. De biofilmmatrix biedt een goedaardige en robuuste interface tussen nanokatalysatoren en levende cellen, waarop drie afstembare en recyclebare katalytische reactiesystemen zijn aangetoond.

Objecten op nanoschaal (1-100 nm) zijn wenselijke nanokatalysatoren met meer katalytische actieve plaatsen vanwege hogere oppervlakte-tot-volumeverhoudingen. De aard op nanoschaal brengt verschillende bijkomende uitdagingen met zich mee, zoals lekkage van nanokatalysatoren naar de omgeving en moeilijkheden bij het hergebruik van nanokatalysatoren gedurende herhaalde reactiecycli. Een belangrijke strategie om deze uitdagingen aan te gaan, is de immobilisatie van nano-objecten op verschillende substraten via een verscheidenheid aan technologische benaderingen. Echter, anorganische en bio-afgeleide of bio-geïnspireerde substraten missen duidelijk "biologie-only" attributen zoals zelfregeneratie, op cellulaire groei gebaseerde schaalbaarheid, en het vermogen van cellen om complexe enzymen te biosynthetiseren, ondergronden, co-enzymen, of andere vereiste reagentia of reactiecomponenten in situ. Bovendien, studies die nano-objecten direct op celoppervlakken hebben geïmmobiliseerd, hebben schade aan cellen gemeld.

De Zhong-groep van de Materials and Physical Biology Division, aan de ShanghaiTech University heeft een belangrijke conceptuele vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van een nieuwe abiotische/biotische interface voor de integratie en immobilisatie van objecten op nanoschaal met levende cellen voor katalyse. Erg kort, ze lieten met succes zien hoe gemanipuleerde amyloïde monomeren tot expressie kwamen, uitgescheiden en geassembleerd in de extracellulaire matrix van het leven Escherichia coli ( E coli ) biofilms kunnen worden gebruikt om functionele katalysatoren op nanoschaal te verankeren om zeer efficiënte, schaalbaar, afstembaar, en herbruikbare levende katalysatorsystemen. In hun proof-of-concept-onderzoeken, ze hebben drie eenvoudige katalytische systemen aangetoond, inclusief biofilm-verankerde gouden nanodeeltjes om de verontreinigende stof p-nitrofenol af te breken, biofilm-verankerde hybride Cd _0,9 Zn _0.1 S quantum dots (QD's) en gouden nanodeeltjes om organische kleurstoffen efficiënt af te breken, en biofilm-verankerde CdSeS@ZnS QD's in een semi-kunstmatig fotosynthesesysteem met dubbele bacteriële stam voor waterstofproductie. Zoals blijkt uit hun studies, de extracellulaire matrix in biofilms biedt inderdaad een ideaal milieu voor het verbinden en verankeren van nano-objecten voor directe katalyse en voor hun integratie met het metabolisme van levende cellen:zelfs na meerdere reactierondes, nanokatalysatoren waren nog steeds stevig verankerd in biofilms en de E coli cellen waren nog in leven voor gemakkelijke regeneratie. belangrijk, een dergelijke benadering zou de extreem krachtige en unieke eigenschappen van levende systemen blootleggen.

Er is een grote diversiteit aan bacteriële biofilms met verschillende functionaliteiten in de natuur, en hun studie legt zo de conceptuele basis voor het koppelen van de unieke dynamische eigenschappen en capaciteiten van deze levende materialen met de zeer reactieve nanodeeltjes om op innovatieve wijze uitdagingen in bioremediatie op te lossen, bioconversie, en energie. Hun onderzoek zal aanzetten tot verder onderzoek naar het creëren van efficiëntere en industrieel belangrijke reactiesystemen door het bouwen en integreren van meer ingewikkelde biofilms/anorganische hybride katalytische systemen.