Een bacterie genaamd Moorella thermoacetica zal niet gratis werken. Maar onderzoekers van UC Berkeley hebben ontdekt dat het honger heeft naar goud. En in ruil voor deze speciale traktatie, de bacterie heeft een efficiëntere manier onthuld om zonnebrandstoffen te produceren door kunstmatige fotosynthese.

M. thermoacetica debuteerde voor het eerst als de eerste niet-fotogevoelige bacterie die kunstmatige fotosynthese uitvoerde in een onderzoek onder leiding van Peidong Yang, een professor in UC Berkeley's College of Chemistry. Door lichtabsorberende nanodeeltjes gemaakt van cadmiumsulfide (CdS) aan de buitenkant van het bacteriële membraan te bevestigen, de onderzoekers veranderden M. thermoacetica in een kleine fotosynthesemachine, zonlicht en koolstofdioxide omzetten in nuttige chemicaliën.

Nu hebben Yang en zijn team van onderzoekers een betere manier gevonden om deze CO2-hongerige bacterie te verleiden om nog productiever te worden. Door lichtabsorberende gouden nanoclusters in de bacterie te plaatsen, ze hebben een biohybride systeem gecreëerd dat een hogere opbrengst aan chemische producten oplevert dan eerder werd aangetoond. Het onderzoek, gefinancierd door de National Institutes of Health, werd gepubliceerd op 1 oktober in Natuur Nanotechnologie .

Voor het eerste hybride model M. thermoacetica-CdS, de onderzoekers kozen cadmiumsulfide als halfgeleider vanwege het vermogen om zichtbaar licht te absorberen. Maar omdat cadmiumsulfide giftig is voor bacteriën, de nanodeeltjes moesten "extracellulair, " of buiten het M. thermoacetica-CdS-systeem. Zonlicht prikkelt elk cadmium-sulfide nanodeeltje tot het genereren van een geladen deeltje dat bekend staat als een elektron. Terwijl deze door licht gegenereerde elektronen door de bacterie reizen, ze interageren met meerdere enzymen in een proces dat bekend staat als "CO2-reductie, " wat een cascade van reacties veroorzaakt die uiteindelijk CO2 in acetaat verandert, een waardevolle chemische stof voor het maken van zonnebrandstoffen.

Maar binnen het extracellulaire model, de elektronen komen uiteindelijk in wisselwerking met andere chemicaliën die geen rol spelen bij het omzetten van CO2 in acetaat. En als een resultaat, sommige elektronen gaan verloren en bereiken de enzymen nooit. Dus om te verbeteren wat bekend staat als "kwantumefficiëntie, " of het vermogen van de bacterie om acetaat te produceren elke keer dat het een elektron krijgt, vonden de onderzoekers nog een halfgeleider:nanoclusters van 22 goudatomen (Au22), een materiaal waar M. thermoacetica een verrassende glans aan heeft gegeven.

"We hebben voor Au22 gekozen omdat het ideaal is voor het absorberen van zichtbaar licht en het potentieel heeft om het CO2-reductieproces aan te sturen, maar we wisten niet zeker of het compatibel zou zijn met de bacteriën, ' zei Yang. 'Toen we ze onder de microscoop inspecteerden, we ontdekten dat de bacteriën vol zaten met deze Au22-clusters - en nog steeds gelukkig leefden."

Beeldvorming van het M. thermoacetica-Au22-systeem werd gedaan in het Molecular Imaging Center van UC Berkeley.

De onderzoekers selecteerden ook Au22 - door de onderzoekers ook wel "magische" gouden nanoclusters genoemd - vanwege zijn ultrakleine formaat:een enkele Au22-nanocluster heeft een diameter van slechts 1 nanometer, waardoor elke nanocluster gemakkelijk door de bacteriële celwand kan glippen.

"Door bacteriën te voeden met Au22 nanoclusters, we hebben het elektronenoverdrachtproces voor de CO2-reductieroute in de bacteriën effectief gestroomlijnd, zoals blijkt uit een kwantumefficiëntie van 2,86 procent - of 33 procent meer acetaat geproduceerd binnen het M. thermoacetica-Au22-systeem dan het CdS-model, ' zei Yang.

De magische gouden nanocluster is de nieuwste ontdekking die uit Yang's lab komt. die zich de afgelopen zes jaar heeft gericht op het gebruik van biohybride nanostructuren om CO2 om te zetten in bruikbare chemicaliën als onderdeel van een voortdurende inspanning om betaalbare, overvloedige bronnen voor hernieuwbare brandstoffen, en mogelijke oplossingen om de effecten van klimaatverandering tegen te gaan.

"Volgende, we willen graag een manier vinden om de kosten te verlagen, de levensduur van deze biohybride systemen te verbeteren, en de kwantumefficiëntie verbeteren, Yang zei. "Door te blijven kijken naar het fundamentele aspect van hoe gouden nanoclusters worden gefotoactiveerd, en door het proces van elektronenoverdracht binnen de CO2-reductieroute te volgen, we hopen nog betere oplossingen te vinden."