Fotosyntes ger energi till det stora flertalet av livet på jorden. Men klorofyll, det gröna pigmentet som växter använder för att skörda solljus, är relativt ineffektivt. För att göra det möjligt för människor att fånga mer av solens energi än vad naturlig fotosyntes kan, forskare har lärt bakterier att täcka sig i små, högeffektiva solpaneler för att producera användbara föreningar.

Forskarna presenterar sitt arbete i dag vid det 254:e nationella mötet och utställningen av American Chemical Society (ACS).

"Istället för att lita på ineffektivt klorofyll för att skörda solljus, Jag har lärt bakterier hur man växer och täcker sina kroppar med små halvledarnanokristaller, " säger Kelsey K. Sakimoto, Ph.D., som utförde forskningen i labbet i Peidong Yang, Ph.D. "Dessa nanokristaller är mycket effektivare än klorofyll och kan odlas till en bråkdel av kostnaden för tillverkade solpaneler."

Människor letar alltmer efter att hitta alternativ till fossila bränslen som energikällor och råvaror för kemisk produktion. Många forskare har arbetat för att skapa artificiella fotosyntetiska system för att generera förnybar energi och enkla organiska kemikalier med hjälp av solljus. Framsteg har gjorts, men systemen är inte tillräckligt effektiva för kommersiell produktion av bränslen och råvaror.

Forskning i Yangs labb vid University of California, Berkeley, där Sakimoto tog sin doktorsexamen, fokuserar på att utnyttja oorganiska halvledare som kan fånga solljus till organismer som bakterier som sedan kan använda energin för att producera användbara kemikalier från koldioxid och vatten. "Insatsen för forskningen i mitt labb är att i huvudsak "överladda" icke-fotosyntetiska bakterier genom att ge dem energi i form av elektroner från oorganiska halvledare, som kadmiumsulfid, som är effektiva ljusabsorbenter, " säger Yang. "Vi letar nu efter mer godartade ljusabsorbenter än kadmiumsulfid för att förse bakterier med energi från ljus."

Sakimoto arbetade med en naturligt förekommande, icke-fotosyntetisk bakterie, Moorella thermoacetica , som, som en del av sin normala andning, producerar ättiksyra från koldioxid (CO ₂ ). Ättiksyra är en mångsidig kemikalie som lätt kan uppgraderas till ett antal bränslen, polymerer, läkemedel och råvarukemikalier genom kompletterande, genetiskt modifierade bakterier.

När Sakimoto matade kadmium och aminosyran cystein, som innehåller en svavelatom, till bakterierna, de syntetiserade kadmiumsulfid (CdS) nanopartiklar, som fungerar som solpaneler på sina ytor. Hybridorganismen, M. thermoacetica -CD skivor, producerar ättiksyra från CO ₂ , vatten och ljus. "En gång täckt med dessa små solpaneler, bakterierna kan syntetisera mat, bränslen och plast, alla använder solenergi, Sakimoto säger. "Dessa bakterier överträffar naturlig fotosyntes."

Bakterierna verkar med en effektivitet på mer än 80 procent, och processen är självreplikerande och självregenererande, vilket gör detta till en noll-avfallsteknik. "Syntetisk biologi och förmågan att utöka produktomfånget för CO ₂ minskning kommer att vara avgörande för att den här tekniken ska kunna ersättas, eller en av många ersättare, för den petrokemiska industrin, " säger Sakimoto.

Så, har de oorganiskt-biologiska hybriderna kommersiell potential? "Jag hoppas verkligen det!" han säger. "Många nuvarande system inom artificiell fotosyntes kräver solida elektroder, vilket är en enorm kostnad. Våra algbiobränslen är mycket mer attraktiva, som hela CO ₂ -till-kemisk apparat är fristående och kräver bara ett stort kar ute i solen." Men han påpekar att systemet fortfarande kräver en del justeringar för att justera både halvledaren och bakterierna. Han föreslår också att det är möjligt att hybridbakterier som han skapade kan ha någon naturligt förekommande analog. "En framtida riktning, om detta fenomen finns i naturen, skulle vara att bioprospektera efter dessa organismer och använda dem, " han säger.