Immobilisering anses vara en genomförbar strategi för att ta itu med toxicitet och nanomaterialföroreningar som nanokatalysatorer konfronteras med i praktiska tillämpningar. Ett forskargrupp från ShanghaiTech University skördade genetiskt modifierade Escherichia coli biofilmer som levande substrat för att immobilisera katalysatorer i nanoskala. Biofilmmatrisen ger ett godartat och robust gränssnitt mellan nanokatalysatorer och levande celler, på vilket tre avstämbara och återvinningsbara katalytiska reaktionssystem har demonstrerats.

Objekt i nanoskala (1 -100 nm) är önskvärda nanokatalysatorer med fler katalytiska aktiva platser på grund av högre yta-till-volymförhållanden. Naturen i nanoskala för med sig flera utmaningar som läckage av nanokatalysatorer till omgivande miljö och svårigheter att återanvända nanokatalysatorer under upprepade reaktionscykler. En viktig strategi för att ta itu med dessa utmaningar har varit immobilisering av nanoobjekt på olika substrat via en mängd olika tekniska tillvägagångssätt. Dock, oorganiska och biologiskt härledda eller bioinspirerade substrat saknar uppenbarligen "bara biologi" attribut som självregenerering, cellulär tillväxt-baserad skalbarhet, och cellernas förmåga att biosyntetisera komplexa enzymer, substrat, koenzymer, eller andra erforderliga reagenser eller reaktionskomponenter in situ. Dessutom, studier som har immobiliserat nanoobjekt direkt på cellytor har rapporterat skador på celler.

Zhong-gruppen från Materials and Physical Biology Division, vid ShanghaiTech University har gjort ett stort konceptuellt framsteg när det gäller att utveckla ett nytt abiotisk/biotiskt gränssnitt mot integration och immobilisering av objekt i nanoskala med levande celler för katalys. Väldigt kort, de visade framgångsrikt hur konstruerade amyloidmonomerer uttrycktes, utsöndras och monteras i den extracellulära matrisen levande Escherichia coli ( E coli ) biofilmer kan utnyttjas för att förankra funktionella katalysatorer i nanoskala för att göra högeffektiva, skalbar, inställbar, och återanvändbara levande katalysatorsystem. I sina proof-of-concept-studier, de har visat tre enkla katalytiska system, inklusive biofilmförankrade guldnanopartiklar för att bryta ned föroreningen p-nitrofenol, biofilmförankrad hybrid Cd _0,9 Zn _0,1 S quantum dots (QDs) och guldnanopartiklar för att effektivt bryta ned organiska färgämnen, och biofilmförankrade CdSeS@ZnS QDs i ett semi-artificiellt fotosyntessystem av dubbel bakteriestam för väteproduktion. Som avslöjats i deras studier, den extracellulära matrisen i biofilmer ger verkligen en idealisk miljö för gränssnitt och förankring av nanoobjekt för direkt katalys och för deras integration med metabolismen av levande celler:även efter flera omgångar av reaktioner, nano-katalysatorer var fortfarande robust förankrade till biofilmer och E coli celler var fortfarande vid liv för enkel regenerering. Viktigt, ett sådant tillvägagångssätt skulle öppna upp de extremt kraftfulla och unika egenskaperna hos levande system.

Det finns en stor mångfald av bakteriella biofilmer med olika funktionalitet i naturen, och deras studie lägger alltså den konceptuella grunden för att koppla de unikt dynamiska egenskaperna och kapaciteten hos dessa levande material med de mycket reaktiva nanopartiklarna för att innovativt lösa utmaningar inom bioremediering, biokonvertering, och energi. Deras forskning kommer att främja ytterligare forskning för att skapa mer effektiva och industriellt viktiga reaktionssystem genom att bygga och integrera mer invecklade biofilmer/oorganiska hybridkatalytiska system.