University of Colorado Boulder forskare har utvecklat nanobio-hybridorganismer som kan använda luftburen koldioxid och kväve för att producera en mängd olika plaster och bränslen, ett lovande första steg mot lågkostnadskolbindning och miljövänlig tillverkning av kemikalier.

Genom att använda ljusaktiverade kvantprickar för att avfyra särskilda enzymer i mikrobiella celler, forskarna kunde skapa "levande fabriker" som äter skadlig CO2 och omvandlar den till användbara produkter som biologiskt nedbrytbar plast, bensin, ammoniak och biodiesel.

"Innovationen är ett bevis på kraften i biokemiska processer, sa Prashant Nagpal, huvudförfattare till forskningen och en biträdande professor vid CU Boulders avdelning för kemi- och biologisk teknik. "Vi tittar på en teknik som kan förbättra CO2-avskiljningen för att bekämpa klimatförändringarna och en dag till och med potentiellt ersätta kolintensiv tillverkning av plaster och bränslen."

Projektet startade 2013, när Nagpal och hans kollegor började utforska den breda potentialen hos nanoskopiska kvantprickar, som är små halvledare som liknar de som används i tv-apparater. Kvantprickar kan injiceras i celler passivt och är utformade för att fästa och självmontera till önskade enzymer och sedan aktivera dessa enzymer på kommando med hjälp av specifika våglängder av ljus.

Nagpal ville se om kvantprickar kunde fungera som ett tändstift för att avfyra särskilda enzymer i mikrobiella celler som har möjlighet att omvandla luftburen CO2 och kväve, men gör det inte naturligt på grund av brist på fotosyntes.

Genom att sprida de specialanpassade prickarna in i cellerna hos vanliga mikrobiella arter som finns i marken, Nagpal och hans kollegor överbryggade klyftan. Nu, exponering för även små mängder indirekt solljus skulle aktivera mikrobernas CO2-aptit, utan behov av någon energikälla eller mat för att utföra de energiintensiva biokemiska omvandlingarna.

"Varje cell tillverkar miljontals av dessa kemikalier och vi visade att de kunde överskrida sin naturliga avkastning med nästan 200 procent, sa Nagpal.

Mikroberna, som ligger vilande i vattnet, släpp ut den resulterande produkten till ytan, där den kan skummas av och skördas för tillverkning. Olika kombinationer av prickar och ljus ger olika produkter:Gröna våglängder gör att bakterierna konsumerar kväve och producerar ammoniak medan rödare våglängder får mikroberna att frossa i CO2 för att istället producera plast.

Processen visar också lovande tecken på att kunna verka i stor skala. Studien fann att även när de mikrobiella fabrikerna aktiverades konsekvent i timmar i taget, de visade få tecken på utmattning eller utarmning, vilket indikerar att cellerna kan regenerera och därmed begränsa behovet av rotation.

"Vi blev mycket förvånade över att det fungerade så elegant som det gjorde, " Nagpal sa. "Vi har precis börjat med de syntetiska applikationerna."

Det ideala futuristiska scenariot, Nagpal sa, skulle vara att låta småhus och företag leda sina CO2-utsläpp direkt till en närliggande anläggningsdamm, där mikrober skulle omvandla dem till en bioplast. Ägarna skulle kunna sälja den resulterande produkten för en liten vinst samtidigt som de i huvudsak kompenserar för sitt eget koldioxidavtryck.

"Även om marginalerna är låga och det inte kan konkurrera med petrokemikalier på en ren kostnadsbasis, det finns fortfarande samhällsnytta med att göra detta, ", sa Nagpal. "Om vi ​​kunde omvandla ens en liten del av lokala dikesdammar, det skulle ha en betydande inverkan på städernas koldioxidutsläpp. Det skulle inte kräva mycket för folk att genomföra. Många gör redan öl hemma, till exempel, och det här är inte mer komplicerat."

Fokus nu, han sa, kommer att övergå till att optimera omvandlingsprocessen och få nya studenter. Nagpal planerar att omvandla projektet till ett laboratorieexperiment under höstterminen, finansieras av ett anslag från CU Boulder Engineering Excellence Fund. Nagpal krediterar sina nuvarande studenter med att ha hållit fast vid projektet under många år.

"Det har varit en lång resa och deras arbete har varit ovärderligt, " sa han. "Jag tror att de här resultaten visar att det var värt det."