Een recente studie, gepubliceerd in Geavanceerde materialen , toont aan dat inheemse virussen kunnen worden gebruikt als een scaffold om fotoactieve moleculen te immobiliseren om mogelijk organische verontreinigende stoffen in afvalwater te oxideren, onder bestraling met zichtbaar licht

Een onderzoeksteam van de Aalto University heeft een nieuwe strategie ontwikkeld om op virussen gebaseerde materialen voor katalyse te maken. Het project, dat kadert in de Marie Skłodowska-Curie-acties van Horizon 2020, heeft tot doel de weg vrij te maken voor de toepassing van optisch actieve biohybride materialen - een combinatie van biomoleculen en synthetische delen - in onderwerpen variërend van nanogeneeskunde tot groene organische synthese of milieuwetenschappen.

"Onze eerste uitdaging was om de juiste fotosensibilisator te selecteren, " zegt Eduardo Anaya, postdoctoraal onderzoeker aan de Aalto University, "We hebben besloten om ftalocyanines te gebruiken, een synthetisch derivaat van hematoporfyrine (de kleurstof die verantwoordelijk is voor de kleur van bloed), vanwege hun uitstekende eigenschappen als generator van reactieve zuurstofsoorten. Echter, het gebruik van dit soort kleurstoffen in waterige media brengt verschillende uitdagingen met zich mee die hun prestaties beïnvloeden. Daarom, zorgvuldig ontwerp was nodig om hun eigenschappen te behouden'.

In samenwerking met de onderzoeksgroep van professor Tomas Torres van de Universidad Autonoma de Madrid, een nieuw ftalocyaninederivaat werd gesynthetiseerd, resulterend in een molecuul met veerkrachtige eigenschappen in media met verschillende ionsterkten. Het ontwerp zorgde voor de fotoactiviteit van de kleurstof, zelfs in een waterige omgeving.

"Een van de aandachtspunten van onze onderzoeksgroep ligt in het ontwerp van nieuwe eiwitsamenstellingen en hun mogelijke toepassing als nieuwe materialen", voegt professor Mauri Kostiainen toe, leider van de groep Biohybrid Materials. "Onze aanpak is gebaseerd op supramoleculaire interacties, zoals elektrostatische binding dus, in dit project, we besloten om de positief geladen kleurstof te combineren met een negatief geladen tabaksmozaïekvirus (een 300 nm lang staafachtig virus), resulterend in een fotoactief vezelig materiaal. Deze aanpak leidde tot zeer geordende threads, die grondig werden gekarakteriseerd door röntgenverstrooiing en verschillende microscopietechnieken in het Nanomicroscopiecentrum in Aalto, ' zegt Kostiainen.

Naast de structurele karakterisering, Anaya wijst erop dat het meest cruciale kenmerk is dat de kleurstof actief blijft ondanks dat hij in de vezels is geïmmobiliseerd. ´We kunnen de reactieplaats in een vaste drager fixeren en de oplossing die we willen laten reageren er doorheen laten gaan, zichtbaar licht is de enige "brandstof" die we gebruiken om het te laten gebeuren. Hierdoor kunnen we een continue stroomopstelling creëren die het opschalen van het oxidatieproces mogelijk maakt, " concludeert hij.

Het onderzoeksteam ontwierp een proof-of-concept-apparaat waarbij de vezels in een glazen capillair worden geïmmobiliseerd; een inkomende stroom werd in verschillende cycli geoxideerd. De veerkracht van de vezels werd beoordeeld, concluderen dat zowel hun structurele stabiliteit als fotoactiviteit in de loop van de tijd constant blijven. Een bijkomend voordeel is dat, zodra het oxidatieproces is voltooid, een lichtpuls kan de vezels uit elkaar halen, waardoor ze gemakkelijk kunnen worden weggegooid. De gerapporteerde aanpak vertegenwoordigt de eerste stap naar het gebruik van biohybriden in continue stroomreacties, die een milieuvriendelijke benadering van dit soort industriële processen vertegenwoordigen.