En bakterie som heter Moorella thermoacetica fungerar inte gratis. Men UC Berkeley-forskare har räknat ut att det har en aptit på guld. Och i utbyte mot denna speciella behandling, bakterien har avslöjat en mer effektiv väg för att producera solbränslen genom artificiell fotosyntes.

M. thermoacetica gjorde först sin debut som den första icke-ljuskänsliga bakterien att utföra artificiell fotosyntes i en studie ledd av Peidong Yang, en professor vid UC Berkeley's College of Chemistry. Genom att fästa ljusabsorberande nanopartiklar gjorda av kadmiumsulfid (CdS) på bakteriemembranets yttre, forskarna gjorde M. thermoacetica till en liten fotosyntesmaskin, omvandlar solljus och koldioxid till användbara kemikalier.

Nu har Yang och hans team av forskare hittat ett bättre sätt att locka denna CO2-hungriga bakterie till att bli ännu mer produktiv. Genom att placera ljusabsorberande guld nanokluster inuti bakterien, de har skapat ett biohybridsystem som ger ett högre utbyte av kemiska produkter än vad som tidigare visats. Forskningen, finansierat av National Institutes of Health, publicerades den 1 oktober in Naturens nanoteknik .

För den första hybridmodellen, M. thermoacetica-CdS, forskarna valde kadmiumsulfid som halvledare för dess förmåga att absorbera synligt ljus. Men eftersom kadmiumsulfid är giftigt för bakterier, nanopartiklarna måste fästas till cellmembranet "extracellulärt, " eller utanför M. thermoacetica-CdS-systemet. Solljus exciterar varje kadmiumsulfidnanopartikel till att generera en laddad partikel som kallas en elektron. När dessa ljusgenererade elektroner färdas genom bakterien, de interagerar med flera enzymer i en process som kallas "CO2-reduktion, "utlöser en kaskad av reaktioner som så småningom förvandlar CO2 till acetat, en värdefull kemikalie för att tillverka solbränslen.

Men inom den extracellulära modellen, Det slutar med att elektronerna interagerar med andra kemikalier som inte har någon roll i att omvandla CO2 till acetat. Och som resultat, vissa elektroner går förlorade och når aldrig enzymerna. Så för att förbättra vad som kallas "kvanteffektivitet, "eller bakteriens förmåga att producera acetat varje gång den får en elektron, forskarna hittade en annan halvledare:nanokluster gjorda av 22 guldatomer (Au22), ett material som M. thermoacetica fick en överraskande glans.

"Vi valde Au22 eftersom den är idealisk för att absorbera synligt ljus och har potential att driva CO2-reduktionsprocessen, men vi var inte säkra på om det skulle vara kompatibelt med bakterierna, " sa Yang. "När vi inspekterade dem under mikroskopet, vi upptäckte att bakterierna var laddade med dessa Au22-kluster - och fortfarande levde lyckligt."

Avbildning av M. thermoacetica-Au22-systemet gjordes vid UC Berkeleys Molecular Imaging Center.

Forskarna valde också Au22 – av forskarna kallat "magiska" guldnanokluster - för dess ultraliten storlek:Ett enda Au22 nanokluster är bara 1 nanometer i diameter, så att varje nanokluster lätt kan glida genom bakteriecellsväggen.

"Genom att mata bakterier med Au22 nanokluster, vi har effektivt effektiviserat elektronöverföringsprocessen för CO2-reduktionsvägen inuti bakterierna, vilket framgår av en kvanteffektivitet på 2,86 procent – ​​eller 33 procent mer acetat producerat inom M. thermoacetica-Au22-systemet än CdS-modellen, " sa Yang.

Det magiska guldnanoklustret är den senaste upptäckten som kommer ut från Yangs labb, som under de senaste sex åren har fokuserat på att använda biohybrid nanostrukturer för att omvandla CO2 till användbara kemikalier som en del av ett pågående arbete för att hitta prisvärda, rikliga resurser för förnybara bränslen, och potentiella lösningar för att motverka effekterna av klimatförändringar.

"Nästa, vi vill hitta ett sätt att minska kostnaderna, förbättra livslängden för dessa biohybridsystem, och förbättra kvanteffektiviteten, "Yang sa. "Genom att fortsätta att titta på den grundläggande aspekten av hur guld nanokluster fotoaktiveras, och genom att följa elektronöverföringsprocessen inom CO2-reduktionsvägen, vi hoppas kunna hitta ännu bättre lösningar."