Quando si considerano i modi per generare in modo sostenibile prodotti ecocompatibili, i batteri potrebbero non venire subito in mente.
Tuttavia, negli ultimi anni gli scienziati hanno creato bioibridi microbi-semiconduttori che fondono il potere biosintetico dei sistemi viventi con la capacità dei semiconduttori di 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 in un sistema così piccolo e complesso e se il processo possa essere migliorato.
I ricercatori della Cornell University 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.
L’articolo del team, “Single-Cell Multimodal Imaging Uncovers Energy Conversion Pathways in Biohybrids”, pubblicato il 27 luglio in Chimica della natura. Gli autori principali sono il ricercatore postdottorato Bing Fu e l’ex ricercatore postdottorato Xianwen Mao.
Il progetto è stato guidato da Peng Chen, professore di chimica al College of Arts and Sciences. Lo sforzo è il risultato di una collaborazione più ampia — con Tobias Hanrath, professore alla Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering presso Cornell Engineering, e Buz Barstow, 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 avanzare la ricerca sulla bioenergia.
La ricerca sui bioibridi è stata tipicamente condotta con batteri 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 cellule sono molto diverse. Ora, per interrogarla meglio, è davvero necessario misurarla a livello di singola cellula”, 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”.
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 possono assorbire una grande quantità di elettroni dai fotocatalizzatori semiconduttori. 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, quindi sarebbe davvero potente . Non ci siamo ancora.”
La ricerca è stata supportata dal programma Biomolecular Characterization and Imaging Science del DOE.
I ricercatori hanno utilizzato le strutture condivise del Cornell Center for Materials Research, che è supportato dal programma MRSEC della National Science Foundation.
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