Изучение потенциала периплазматического биосинтеза для эффективного использования солнечной энергии.

28 июля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Ли Юань, Китайская академия наук

Исследователи из Шэньчжэньского института передовых технологий (SIAT) Китайской академии наук (CAS) и Чикагского университета обнаружили осаждение полупроводниковых нанокластеров в периплазматическом пространстве грамотрицательных бактерий для эффективного химического производства с использованием солнечной энергии. Результаты были опубликованы в журнале Science Advances 21 июля.

Биоминерализация — процесс отложения неорганических веществ вокруг биологических клеток и тканей — приводит к образованию композиционных материалов. Бактерии обладают способностью извлекать ионы металлов из окружающей среды и производить функциональные материалы.

Периплазматическое пространство, гелеобразная матрица между внутренней цитоплазматической мембраной и внешней мембраной бактерий, открывает уникальные возможности для синтеза и использования наноматериалов в ограниченной среде.

Периплазматическое пространство грамотрицательных бактерий, характеризующееся обилием ферментов и пептидогликана, обеспечивает благодатную почву для биоминерализации. Кроме того, грамотрицательные бактерии имеют цепь переноса электронов, тесно связанную с периплазмой, что облегчает перенос индуцированных светом электронов из полупроводника в цепь переноса электронов для внутриклеточной регенерации восстанавливающей энергии. Полученные in-situ богатые дефектами полупроводниковые нанокластеры могут повышать уровень аденозинтрифосфата (АТФ) и усиливать выработку малата в условиях освещения.

Более того, команда расширила устойчивость периплазматического биосинтеза, включая снижение содержания тяжелых металлов, создание живого биореактора и создание полуискусственной системы фотосинтеза. Используя возможности биоминерализации, периплазматический биосинтез продемонстрировал огромный потенциал в качестве платформы для различных устойчивых применений.

«Мы считаем, что периплазматический биосинтез может служить бесценной моделью полуискусственного фотосинтеза для солнечного биокатализа и устойчивого развития», — сказал профессор Гао Сян, соавтор исследования.

Полупроводниковый биосинтез легко адаптируется, позволяя контролировать биосовместимость и эффективное соединение с бактериальными компонентами, служащими источником электронов для метаболических процессов. Хотя сообщалось о синтезе металлических наночастиц внутри периплазмы, исследования биологических интерфейсов на основе полупроводников в этом пространстве редки, особенно с точки зрения биорегуляции и многоуровневой устойчивости.

Исследовательская группа разработала негенетический подход к биоминерализации полупроводников в периплазме E. coli (модельный организм грамотрицательных бактерий) и микробных биогибридов. Полупроводниковые нанокластеры обладали пониженной кристалличностью и были стабилизированы периплазматическим пептидогликановым матриксом, обеспечивая более мягкий интерфейс с бактериальной клеткой. Они исследовали основные механизмы материалов и биологические характеристики и обнаружили, что полупроводниковые нанокластеры (например, CdS) опосредованы путем производства H2S.

Результаты подчеркивают недостаточно изученную природу периплазматического пространства у бактерий, которое потенциально может использоваться для создания биогибридов на основе полупроводников, которые могут быть применены для восстановления окружающей среды, изготовления живых биореакторов и полуискусственного фотосинтеза для биопроизводства и устойчивого развития.

Периплазматическая биоминерализация, образующая биогибридную платформу полупроводников и бактерий, разработанная исследовательской группой для химического производства с использованием солнечной энергии, потенциально может быть распространена на другие бактерии или клетки, обогащая приложения биоремедиации дополнительной устойчивостью.