Quando si considerano i modi per generare in modo sostenibile prodotti ecocompatibili, i batteri a energia solare potrebbero non venire subito in mente.
Tuttavia, negli ultimi anni gli scienziati hanno creato bioibridi microbici-semiconduttori che fondono il potere biosintetico dei sistemi viventi con la capacità di semiconduttori per raccogliere la luce.
Questi microrganismi utilizzano l’energia solare per convertire l’anidride carbonica in prodotti chimici a valore aggiunto, come bioplastiche e biocarburanti. Ma non è ancora chiaro come avvenga il trasporto di energia solare in un sistema così piccolo e complesso e se il processo possa essere migliorato.
I ricercatori di Cornell hanno sviluppato una piattaforma multimodale per visualizzare questi bioibridi con una risoluzione a cella singola, per capire meglio come funzionano e come possono essere ottimizzati per una conversione energetica più efficiente.
Un’immagine al microscopio elettronico a scansione mostra cellule del batterio Ralstonia eutropha a energia solare sopra un semiconduttore di bismuto vanadato. Credito immagine: Cornell University
Il giornale della squadra, “L’imaging multimodale a cellula singola scopre percorsi di conversione dell’energia nei bioibridi”, pubblicato il 27 luglio su Nature Chemistry. Gli autori principali sono il ricercatore postdottorato Bing Fu e l’ex ricercatore postdottorato Xianwen Mao.
Il progetto è stato condotto da Peng Chen, il Peter JW Debye Professore di Chimica al College of Arts and Sciences. Lo sforzo è una propaggine di una collaborazione più ampia – con Tobias Hanratprofessore alla Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering in Cornell Engineering, e Buz Barstow, dottorato di ricerca ’09, assistente professore di ingegneria biologica e ambientale presso il College of Agriculture and Life Sciences – che è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) per esplorare l’imaging microscopico dei microbi come un modo per far progredire la ricerca sulla bioenergia.
La ricerca sui bioibridi è stata tipicamente condotta con batteri alimentati a energia solare alla rinfusa – essenzialmente una grande quantità di cellule in un secchio, ha detto Peng – sottolineando la resa complessiva delle sostanze chimiche a valore aggiunto e i comportamenti collettivi delle cellule, piuttosto che il meccanismo sottostante che consente la complessa trasformazione chimica.
“La biologia è molto eterogenea. Le singole celle sono molto diverse. Ora, per interrogarlo meglio, devi davvero misurarlo a livello di singola cella “, ha detto Chen.
“È qui che entriamo in gioco noi. Forniamo valutazioni quantitative dei comportamenti delle proteine e anche una comprensione meccanicistica di come avviene il trasporto di elettroni dal semiconduttore alla cellula batterica”.
Batteri a energia solare
La nuova piattaforma ha combinato l’imaging a fluorescenza multicanale con la mappatura della corrente fotoelettrochimica per esaminare il batterio Ralstonia eutropha.
La piattaforma è stata in grado di visualizzare, tracciare e quantificare contemporaneamente più proteine nella cellula, misurando anche il flusso di elettroni, correlando infine le proprietà delle proteine cellulari ei processi di trasporto degli elettroni.
I ricercatori sono riusciti a differenziare i ruoli funzionali di due tipi di idrogenasi – uno legato alla membrana cellulare e uno solubile nel citoplasma – che aiutano a metabolizzare l’idrogeno e guidare la fissazione della CO2.
Mentre l’idrogenasi solubile è nota per essere fondamentale per il metabolismo dell’idrogeno, i ricercatori hanno scoperto che l’idrogenasi legata alla membrana, sebbene meno importante, in realtà facilita il processo e lo rende più efficiente.
Inoltre, i ricercatori hanno ottenuto la prima prova sperimentale che i batteri ad energia solare può assorbire una grande quantità di elettroni dai fotocatalizzatori a semiconduttore. Il team ha misurato la corrente dell’elettrone e ha scoperto che era tre ordini di grandezza più grande di quanto gli scienziati pensavano in precedenza, il che suggerisce che i futuri ceppi di batteri potrebbero essere progettati per migliorare l’efficienza della conversione dell’energia.
I ricercatori hanno anche scoperto che le idrogenasi legate alla membrana e solubili svolgono un ruolo importante nella mediazione del trasporto di elettroni dal semiconduttore alla cellula. Nel frattempo, non solo la cellula può accettare elettroni; può anche sputarli nella direzione opposta, senza l’ausilio di idrogenasi.
La piattaforma di imaging è sufficientemente generalizzabile da poter essere utilizzata per studiare altri sistemi biologico-inorganici, incluso il lievito, e per altri processi, come la fissazione dell’azoto e la rimozione degli inquinanti.
“La nostra piattaforma di imaging multimodale è potente, ma ovviamente ha i suoi limiti”, ha affermato Chen.
“Possiamo immaginare e studiare le proteine, ma il nostro approccio non ci consente di analizzare le composizioni di piccole molecole. E quindi si può pensare di integrare ulteriormente il nostro approccio con altre tecniche, ad esempio la spettrometria di massa su scala nanometrica, in modo che sarebbe davvero potente. Non ci siamo ancora.”
Fonte: Università Cornell
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
