Bioelektrokemiska system kombinerar det bästa från två världar-mikrobiella celler med oorganiska material-för att göra bränslen och andra energirika kemikalier med oöverträffad effektivitet. Ändå har tekniska svårigheter hållit dem opraktiska var som helst utom i ett labb. Nu har forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) utvecklat ett nytt nanoskalamembran som kan ta itu med dessa frågor och bana väg för kommersiell skala.

Nanoskala -membranet är inbäddat med molekylära trådar som samtidigt separerar kemiskt, ändå elektrokemiskt par, en mikrobiell och en oorganisk katalysator på kortast möjliga längdskala. Denna nya modulära arkitektur, beskrivs i en artikel som nyligen publicerades i Naturkommunikation , öppnar upp ett stort designutrymme för att bygga skalbara biohybrid elektrokemiska system för en mängd olika tillämpningar, inklusive elproduktion, avfallshantering, och resursåtervinning, förutom kemisk syntes.

Arbetet leddes av Heinz Frei, en senior forskare vid Berkeley Labs Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division (MBIB), och Caroline Ajo-Franklin, en personalvetare med Berkeley Labs Molecular Foundry som har ett sekundärt möte i MBIB.

"Detta framsteg introducerar en helt ny arkitektur för bioelektrokemiska system baserade på nanoskalaintegration och ger en väg framåt för att skala upp dessa system till en kommersiellt relevant nivå, "sa Frei." Vad mer, det ger ett exempel på hur en nyckel designprincip inspirerad av biologi tillämpas för att lösa ett stort vetenskapligt gap i konstruerade system. "

Biohybrid elektrokemiska system använder separata mikrobiella och oorganiska katalysatorer vid oxidationsreducering, eller redox, reaktioner, att dra nytta av de kompletterande styrkorna för varje komponent. Mikrober kan syntetisera komplexa molekyler med hög selektivitet, medan oorganiska katalysatorer är de mest effektiva energisamlare. Sådana biohybridsystem är attraktiva som en hållbar teknik för att producera bränslen och högkvalitativa kemikalier med förnybar energi.

Men, en grundläggande utmaning vid utformningen av biohybridsystem är att miljöerna som stöder optimal funktion av levande celler och oorganiska material är kemiskt inkompatibla, resulterar i toxicitet, korrosion, eller effektivitetsnedbrytande korsreaktioner. Hittills, tillvägagångssättet har varit att hålla de biologiska och abiotiska komponenterna fysiskt separerade med makroskopiska (millimeter till centimeter) avstånd. Detta kräver dock en hög kostnad när det gäller effektivitet, på grund av motståndsförluster (i storleksordningen 25 procent av cellspänningen) orsakade av jontransport mellan komponenterna, göra uppskalning till kommersiellt relevanta nivåer opraktiska.

I elektrokemiska system, i stort sett, en oxidationsreaktion vid anoden och en reduktionsreaktion vid katoden skapar en drivkraft för elektroner att flöda, därigenom omvandlar kemisk energi till elektrisk energi eller vice versa. Som ett bevis på konceptet, forskarna elektrokemiskt kopplade Shewanella oneidensis, en anaerob bakterie, till en oorganisk katalysator, tennioxid (SnO2). Vid 2 nanometers tjocklek, kiseldioxidmembranet möjliggjorde strömflöde samtidigt som det blockerade syre och andra småmolekyltransporter.

Denna studie bygger på tidigare arbete av Freis grupp där de tillverkade ett konstgjord fotosystem i kvadrattum, i form av en oorganisk kärna-skal nanorörs array, och av Ajo-Franklins grupp där insikt på molekylär nivå avslöjade hur det yttre cellmembranproteinet interagerar med en oorganisk oxidyta.