Erforschung des Potenzials der periplasmatischen Biosynthese für eine effiziente Solarenergie

28. Juli 2023

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von Li Yuan, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Forscher des Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und der University of Chicago haben die Ausfällung von Halbleiter-Nanoclustern im periplasmatischen Raum gramnegativer Bakterien für eine effiziente solarbetriebene chemische Produktion entdeckt. Die Ergebnisse wurden am 21. Juli in Science Advances veröffentlicht.

Biomineralisation, ein Prozess, bei dem sich anorganische Substanzen um biologische Zellen und Gewebe herum ablagern, führt zur Bildung von Verbundmaterialien. Bakterien haben die Fähigkeit, Metallionen aus ihrer Umgebung zu extrahieren und funktionelle Materialien herzustellen.

Der periplasmatische Raum, eine gelartige Matrix zwischen der inneren Zytoplasmamembran und der äußeren Membran von Bakterien, bietet einzigartige Möglichkeiten für die Synthese und Nutzung von Nanomaterialien in einer begrenzten Umgebung.

Der periplasmatische Raum gramnegativer Bakterien, der durch reichlich Enzyme und Peptidoglycan gekennzeichnet ist, bietet einen fruchtbaren Boden für die Biomineralisierung. Darüber hinaus verfügen gramnegative Bakterien über eine Elektronentransportkette, die eng mit dem Periplasma verbunden ist und die Übertragung lichtinduzierter Elektronen vom Halbleiter auf die Elektronentransportkette zur intrazellulären Energieregeneration erleichtert. In situ hergestellte defektreiche Halbleiter-Nanocluster könnten den Adenosintriphosphatspiegel (ATP) erhöhen und die Malatproduktion unter Lichtbedingungen steigern.

Darüber hinaus erweiterte das Team die Nachhaltigkeit der periplasmatischen Biosynthese, einschließlich der Reduzierung des Schwermetallgehalts, der Schaffung eines lebenden Bioreaktors und der Konstruktion eines halbkünstlichen Photosynthesesystems. Durch die Nutzung der Kraft der Biomineralisierung zeigte die periplasmatische Biosynthese ein enormes Potenzial als Plattform für verschiedene nachhaltige Anwendungen.

„Wir glauben, dass die periplasmatische Biosynthese als unschätzbares, auf halbkünstlicher Photosynthese basierendes Modell für solarbetriebene Biokatalyse und Nachhaltigkeit dienen kann“, sagte Prof. Gao Xiang, Mitautor der Studie.

Die Halbleiterbiosynthese ist äußerst anpassungsfähig und ermöglicht eine kontrollierte Biokompatibilität und eine effiziente Paarung mit bakteriellen Komponenten, die als Elektronenquelle für Stoffwechselprozesse dienen. Obwohl über die Synthese metallischer Nanopartikel im Periplasma berichtet wurde, sind Studien zu halbleiterbasierten biologischen Grenzflächen in diesem Bereich selten, insbesondere im Hinblick auf Bioregulation und Nachhaltigkeit auf mehreren Ebenen.

Das Forschungsteam entwickelte einen nicht-genetischen Ansatz für die Halbleiter-Biomineralisierung im Periplasma von E. coli (dem Modellorganismus gramnegativer Bakterien) und aus mikrobiellen Biohybriden. Die halbleitenden Nanocluster wiesen eine verringerte Kristallinität auf und wurden durch die periplasmatische Peptidoglycan-Matrix stabilisiert, wodurch eine weichere Grenzfläche zur Bakterienzelle entstand. Sie untersuchten die zugrunde liegenden Mechanismen der Material- und biologischen Charakterisierung und entdeckten, dass Halbleiter-Nanocluster (z. B. CdS) über den H2S-produzierenden Weg vermittelt werden.

Die Ergebnisse verdeutlichen die noch wenig erforschte Natur des periplasmatischen Raums in Bakterien, der Potenzial für den Aufbau halbleiterbasierter Biohybride bietet, die bei der Umweltsanierung, der Herstellung lebender Bioreaktoren und der halbkünstlichen Photosynthese für Bioproduktion und Nachhaltigkeit eingesetzt werden können.

Die vom Forschungsteam für die solarbetriebene chemische Produktion entwickelte periplasmatische Biomineralisierung bildende Halbleiter-Bakterien-Biohybridplattform kann möglicherweise auf andere Bakterien oder Zellen ausgeweitet werden, wodurch biologische Sanierungsanwendungen mit zusätzlicher Nachhaltigkeit bereichert werden.

Mehr Informationen: Yiliang Lin et al., Periplasmatische Biomineralisierung für semi-künstliche Photosynthese, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg5858

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Fortschritte

Zur Verfügung gestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften