Semi-kunstmatige fotosynthese integreert de hoge selectiviteit van levende biosystemen en de brede lichtoogst van halfgeleidende materialen, wat duurzame, lichtgestuurde chemische productie mogelijk maakt. De bio-abiotische interfaces tussen levende cellen en halfgeleiders zijn de sleutel voor semi-kunstmatige fotosynthese.

Door celmembraanimmobilisatie of intracellulaire opname van halfgeleiders, lichtgestuurde fixatie van CO₂ tot basischemicaliën is bereikt. Terwijl het directe contact levende cellen zou schaden, wat hun duurzaamheid belemmert.

Onlangs stelde een onderzoeksteam onder leiding van prof. Zhong Chao van het Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) van de Chinese Academie van Wetenschappen het gebruik van fotokatalysator-gemineraliseerde biofilms als levende bio-abiotische interfaces voor om diverse fotokatalytische toepassingen te implementeren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances op 7 mei

Biofilms zijn natuurlijke consortia ingebed in een slijmerige extracellulaire matrix. Vanwege hun superieure veerkracht tegen externe omgevingsstress, zijn biofilms gebruikt voor het ontwerp van gemanipuleerde levende materialen (ELM's) met toepassingen in onderwateradhesie, katalysatorimmobilisatie en medische therapie.

De onderzoekers adopteerden E. coli-biofilms met amyloïde curli-vezels. A7-peptiden werden eerst gefuseerd met CsgA-eiwit van de curli-subeenheid om CsgAA7-nanovezels te creëren. Het gaf biofilms het vermogen tot in situ mineralisatie van CdS-nanodeeltjes (NP's).

De fotokatalysator-gemineraliseerde biofilms werden verkregen en direct gebruikt in fotokatalytische toepassingen na kweek. Door segregatie van CdS NP's van bacteriële cellen, kan het systeem de katalytische eigenschap behouden en de stoornis verlichten.

Om de resistentie van biofilms aan te tonen, construeerden onderzoekers een andere stam om A7-peptiden op celmembranen weer te geven, wat mineralisatie van CdS NP's op celmembranen mogelijk maakte. De fotokatalysator-gemineraliseerde bacteriële cellen werden gebruikt als controles. Na 24 uur bestraling waren de cellen in met fotokatalysatoren gemineraliseerde biofilms bijna integraal, terwijl de controles gedeeltelijke schade of zelfs breuken vertoonden.

"De resultaten wezen op een biocompatibele bio-abiotische interface door gemineraliseerde biofilms," zei Prof. Zhong, de corresponderende auteur van de studie, "het zou in principe de duurzaamheid van semi-kunstmatige fotosynthese kunnen bevorderen."

Vergeleken met planktoncellen hadden biofilms een groter oppervlak, sterkere omgevingsweerstand en gemakkelijkere functionalisering, waardoor ze een superieur chassis waren voor het ontwerp van semi-kunstmatige fotosynthese.

"De semi-kunstmatige fotosynthese heeft het potentieel om toekomstige energie- en milieuproblemen op te lossen", zegt prof. Zhong. + Verder verkennen

Geconstrueerde bacteriële biofilms die nanodeeltjes immobiliseren, maken diverse katalytische toepassingen mogelijk