Các hạt nano hấp thụ ánh sáng làm từ 22 nguyên tử vàng (Au22) đủ nhỏ để lọt qua thành màng vi khuẩn. Nguồn hình ảnh: Đại học Hóa học Berkeley

Vi khuẩn Cyborg được nâng cấp vàng

Các nhà khoa học sử dụng hạt nano vàng trong quang hợp vi khuẩn tổng hợp để tìm kiếm năng lượng thay thế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CALIFORNIA -BERKELY - Một cải tiến gần đây trong cuộc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế đã biến vi khuẩn tự nhiên thành các thụ thể năng lượng mặt trời có khả năng chuyển đổi carbon dioxide, nước và ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu mặt trời.

Nghiên cứu đột phá này là sự phát triển của một phương pháp quang hợp tổng hợp. Trong tự nhiên, quang hợp là cơ chế mà thực vật sử dụng chất diệp lục để thu ánh sáng mặt trời và biến nó thành năng lượng.

Nguồn hình ảnh: Đại học & Nghiên cứu Wageningin

Các nhà khoa học đã có thể bắt chước quang hợp tự nhiên bằng cách gắn các tinh thể nano hấp thụ ánh sáng của cadmium sulfide (CdS) vào màng ngoài của Moorella thermoacetica, một loại vi khuẩn không quang hợp ở trạng thái tự nhiên. Thông qua quá trình này, họ đã chuyển đổi nó thành một máy quang hợp vi khuẩn lai, vượt trội hơn so với quang hợp tự nhiên.

Thay vì dựa vào chất diệp lục không hiệu quả để thu hoạch ánh sáng mặt trời, tôi đã dạy vi khuẩn cách phát triển và che phủ cơ thể chúng bằng các tinh thể nano bán dẫn nhỏ, theo lời của Kelsey K. Sakimoto, Tiến sĩ, người thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Peidong Yang, một giáo sư hóa học tại UC Berkeley. Tinh thể nano này hiệu quả hơn nhiều so với chất diệp lục và có thể được phát triển với một phần chi phí của các tấm pin mặt trời được sản xuất.

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các hạt nano CdS, một electron tích điện được tạo ra đi qua phần bên trong của vi khuẩn. Các electron tương tác với các enzyme, gây ra giảm carbon dioxide, cuối cùng tạo ra acetate, một hóa chất quan trọng trong việc tạo ra nhiên liệu mặt trời.

Thông qua quá trình này, họ đã chuyển đổi Moorella thermoacetica thành chất quang hợp vi khuẩn lai, M. thermoacetica-CdS, vượt trội so với quang hợp tự nhiên trong đời sống thực vật. Lai là một công nghệ không chất thải vì nó tự tái tạo và tự sao chép, với tỷ lệ hiệu quả lớn hơn 80 phần trăm.

Mặc dù mô hình này có vẻ rất hứa hẹn, các nhà khoa học lưu ý rằng một số electron bị mất thông qua tương tác với các hóa chất khác trong tế bào vi khuẩn. Để giải quyết vấn đề mất điện tử, họ đã giới thiệu một chất bán dẫn khác trong tế bào: các hạt nano hấp thụ ánh sáng làm từ 22 nguyên tử vàng (Au22), đủ nhỏ để xuyên qua thành màng vi khuẩn. Kết quả là một hệ thống sinh học cung cấp năng suất cao hơn so với sản xuất với mô hình CdS ngoại bào.

Chúng tôi chọn Au22 vì nó rất lý tưởng để hấp thụ ánh sáng khả kiến ​​và có khả năng thúc đẩy quá trình khử CO2, nhưng chúng tôi không chắc chắn liệu nó có tương thích với vi khuẩn hay không, hay Yang cho biết. Khi chúng tôi kiểm tra chúng dưới kính hiển vi, chúng tôi phát hiện ra rằng vi khuẩn đã được nạp vào các cụm Au22 này - và vẫn còn sống hạnh phúc.

Au22 đủ nhỏ để trượt qua thành màng vi khuẩn. Tín dụng hình ảnh: Peidong Yang, UC Berkeley

Sự phát triển quang hợp tổng hợp này có thể cung cấp các giải pháp tiềm năng cho việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, sinh học tổng hợp và khả năng mở rộng phạm vi sản phẩm giảm CO2 sẽ rất quan trọng để thay thế công nghệ này như một sự thay thế, hoặc một trong nhiều thay thế, cho ngành công nghiệp hóa dầu, leo Sakimoto nói.

Các nhà khoa học dự định sẽ tiếp tục phát triển công nghệ mới này, tiếp theo, chúng tôi muốn tìm cách giảm chi phí, cải thiện tuổi thọ cho các hệ thống sinh học này và cải thiện hiệu quả lượng tử, Yang nói.

Nguồn:

Vi khuẩn Cyborg vượt trội hơn thực vật khi biến ánh sáng mặt trời thành các hợp chất hữu ích (video). (2017, ngày 22 tháng 8). Lấy từ https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsrelease/2017/august/cyborg-bacteria-outperform-plants-when-turn-sunlight-into-usiously-compound-video.html

Sakimoto, K. K., Wong, A. B., & Yang, P. (2016, ngày 01 tháng 1). Tự quang hóa của vi khuẩn không quang hợp để sản xuất năng lượng mặt trời. Lấy từ http://science.sciencemag.org/content3531/6268/74

Thu hoạch nhiên liệu mặt trời thông qua một loại vi khuẩn Thèm ăn bất thường đối với vàng. (ví dụ). Lấy từ https: // chemology.ber siêu.edu / news / harvesting-solar-fuels-phiên-vi khuẩn từ-unTHER-appetite-gold