Precis som rymddräkter hjälper astronauter att överleva i ogästvänliga miljöer, nyutvecklade "rymddräkter" för bakterier gör att de kan överleva i miljöer som annars skulle döda dem.

University of California, Berkeley, kemister utvecklade skyddsdräkterna för att förlänga bakteriernas livslängd i ett unikt system som parar ihop levande bakterier med ljusabsorberande halvledare för att fånga upp koldioxid och omvandla den till kemikalier som kan användas av industrin eller, någon dag, i rymdkolonier.

Systemet efterliknar fotosyntes i växter. Men medan växter fångar upp koldioxid och, med energi från solljus, omvandla det till kolhydrater som vi ofta äter, hybridsystemet fångar CO2 och ljus för att göra en mängd olika kolföreningar, beroende på typen av bakterier.

Bakterierna som används i experimentet är anaeroba, vilket innebär att de är anpassade att leva i miljöer utan syre. Kostymen - ett lapptäcke av nätliknande delar som kallas en metall-organisk ram, eller MOF – är ogenomtränglig för syre och reaktiva syremolekyler, som peroxid, som förkortar deras livslängd.

Hybridsystemet kan vara en win-win för industrin och miljön:Det kan fånga upp koldioxid som släpps ut från kraftverk och förvandla det till användbara produkter. Det ger också ett biologiskt sätt att producera nödvändiga kemikalier i konstgjorda miljöer som rymdskepp och livsmiljöer på andra planeter.

"Vi använder vår biohybrid för att fixera CO2 för att göra bränslen, läkemedel och kemikalier, och även kvävefixering för att göra gödningsmedel, sa Peidong Yang, S. K. och Angela Chan Distinguished Chair in Energy vid UC Berkeleys Department of Chemistry. "Om Matt Damon vill odla potatis på Mars, han behöver gödsel."

Yang, en fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory och meddirektör för Kavli Energy Nanoscience Institute, syftade på skådespelaren som spelade huvudpersonen i filmen The Martian. Damons karaktär låg kvar på Mars och var tvungen att använda sitt eget avfall som gödningsmedel för att odla potatis till mat.

Forskningen, finansierat av NASA genom UC Berkeley's Center for the Utilization of Biological Engineering in Space, kommer att publiceras online denna vecka innan publicering i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

En hybrid av bakterier och halvledare

Yang och hans kollegor utvecklade hybridbakteriesystemet under de senaste fem åren baserat på deras arbete med ljusabsorberande halvledare som nanotrådar:solida trådar av kisel några hundra nanometer tvärs över, där en nanometer är en miljarddels meter. Matriser av nanotrådar kan användas för att fånga ljus och generera elektricitet, lovar billiga solceller.

Hybridsystemet drar fördel av effektiv ljusfångning av halvledare för att mata elektroner till anaeroba bakterier, som normalt tar bort elektroner från sin omgivning för att leva. Målet är att öka kolavskiljningen av bakterierna för att rensa ut användbara kolföreningar.

"Vi sammankopplar dessa buggar med en halvledare som överväldigar dem med elektroner, så att de kan göra mer kemi, "Yang sa. "Men samtidigt genererar denna process också alla dessa reaktiva syrearter, som är skadliga för buggarna. Vi lägger dessa bakterier i ett skal så att om någon av dessa oxidativa arter kommer in, detta första försvar, skalet, bryter ner dem."

Dräkten är gjord av ett MOF-nät som virar runt bakterierna, täcker det fläckvis. Bär dessa MOF-dräkter, bakterierna lever fem gånger längre vid normala syrekoncentrationer – 21 volymprocent – ​​än utan dräkterna, och ofta längre än i sin naturliga miljö, sa Yang. Deras normala livslängd sträcker sig från veckor till månader, varefter de kan spolas ur systemet och ersättas med en ny sats.

I detta experiment, forskarna använde bakterier som heter Morella thermoacetica, som producerar acetat (ättiksyra, eller vinäger), en vanlig föregångare inom den kemiska industrin. En annan av deras testbakterier, Sporomusa ovata, producerar även acetat.

"Vi valde dessa anaeroba bakterier eftersom deras selektivitet mot en kemisk produkt alltid är 100 procent, " sa han. "I vårt fall, vi valde en bugg som ger oss acetat. Men du kan välja en annan bugg för att ge dig metan eller alkohol."

Faktiskt, bakterierna som jäser alkoholen i öl och vin och förvandlar mjölk till ost och yoghurt är alla anaeroba.

Medan Yangs första experiment med hybridsystemet parade ihop bakterier med ett borst av nanotrådar av kisel, 2016 upptäckte han att matning av bakterierna med kadmium uppmuntrade dem att dekorera sig själva med en naturlig halvledare, kadmiumsulfid, som fungerar som en effektiv ljusabsorbator som matar bakteriens elektroner.

I det aktuella experimentet, forskarna tog bakterier dekorerade med kadmiumsulfid och omslöt dem med en flexibel, ett nanometer tjockt lager av MOF. Medan en stel MOF störde bakteriernas normala tillväxt- och splittringsprocess, ett zirkoniumbaserat MOF-plåster visade sig vara tillräckligt mjukt för att låta bakterierna svälla och dela sig medan de fortfarande var klädda med MOF, varefter ny MOF i lösningen klädde om dem.

"Du kan tänka på 2-D MOF som ett ark grafen:en ettlagers tjock mantel som täcker bakterierna, " sa medförfattaren Omar Yaghi, en pionjär inom MOF:er och James och Neeltje Tretter-ordföranden vid institutionen för kemi. "2D MOF flyter i lösning med bakterierna, och när bakterierna replikerar täcks de ytterligare med 2-D MOF-skiktet, så det skyddar bakterierna från syre."

Yang och hans kollegor arbetar också med att förbättra hybridsystemets effektivitet för ljusfångning, elektronöverföring och produktion av specifika föreningar. De föreställer sig att kombinera dessa optimerade förmågor med nya metaboliska vägar i dessa bakterier för att producera allt mer komplexa molekyler.

"När du fixar eller aktiverar CO2 - och det är den svåraste delen - kan du använda många befintliga kemiska och biologiska metoder för att uppgradera dem till bränslen, läkemedel och råvarukemikalier, " han sa.