La fotosintesi fornisce energia per la stragrande maggioranza della vita sulla Terra. Ma clorofilla, il pigmento verde che le piante usano per raccogliere la luce del sole, è relativamente inefficiente. Per consentire agli esseri umani di catturare più energia solare di quanto possa fare la fotosintesi naturale, gli scienziati hanno insegnato ai batteri a ricoprirsi di minuscoli, pannelli solari altamente efficienti per produrre composti utili.

I ricercatori presentano oggi il loro lavoro al 254th National Meeting &Exposition dell'American Chemical Society (ACS).

"Piuttosto che fare affidamento sulla clorofilla inefficiente per raccogliere la luce solare, Ho insegnato ai batteri come crescere e ricoprire i loro corpi con minuscoli nanocristalli semiconduttori, "dice Kelsey K. Sakimoto, dottorato di ricerca, che ha svolto la ricerca nel laboratorio di Peidong Yang, dottorato di ricerca "Questi nanocristalli sono molto più efficienti della clorofilla e possono essere coltivati ​​a una frazione del costo dei pannelli solari fabbricati".

Gli esseri umani cercano sempre più di trovare alternative ai combustibili fossili come fonti di energia e materie prime per la produzione chimica. Molti scienziati hanno lavorato per creare sistemi fotosintetici artificiali per generare energia rinnovabile e semplici sostanze chimiche organiche utilizzando la luce solare. Sono stati compiuti progressi, ma i sistemi non sono abbastanza efficienti per la produzione commerciale di combustibili e materie prime.

Ricerca nel laboratorio di Yang presso l'Università della California, Berkeley, dove Sakimoto ha conseguito il dottorato di ricerca, si concentra sullo sfruttamento di semiconduttori inorganici in grado di catturare la luce solare per organismi come i batteri che possono quindi utilizzare l'energia per produrre sostanze chimiche utili dall'anidride carbonica e dall'acqua. "La spinta della ricerca nel mio laboratorio è essenzialmente quella di "sovracaricare" i batteri non fotosintetici fornendo loro energia sotto forma di elettroni da semiconduttori inorganici, come il solfuro di cadmio, che sono assorbitori di luce efficienti, " Yang dice. "Stiamo ora cercando assorbitori di luce più benigni rispetto al solfuro di cadmio per fornire ai batteri energia dalla luce".

Sakimoto ha lavorato con un naturale, batterio non fotosintetico, Moorella termoacetica , quale, come parte della sua normale respirazione, produce acido acetico dall'anidride carbonica (CO ₂ ). L'acido acetico è una sostanza chimica versatile che può essere facilmente trasformata in una serie di combustibili, polimeri, prodotti farmaceutici e prodotti chimici di base attraverso prodotti complementari, batteri geneticamente modificati.

Quando Sakimoto somministrava cadmio e l'aminoacido cisteina, che contiene un atomo di zolfo, ai batteri, hanno sintetizzato nanoparticelle di solfuro di cadmio (CdS), che funzionano come pannelli solari sulle loro superfici. L'organismo ibrido, M. termoacetica -CdS, produce acido acetico da CO ₂ , acqua e luce. "Una volta ricoperto da questi minuscoli pannelli solari, i batteri possono sintetizzare il cibo, combustibili e materie plastiche, tutto utilizzando l'energia solare, " Dice Sakimoto. "Questi batteri superano la fotosintesi naturale".

I batteri operano con un'efficienza superiore all'80%, e il processo è autoreplicante e autorigenerante, rendendo questa tecnologia a zero rifiuti. "Biologia sintetica e capacità di ampliare la gamma di prodotti della CO ₂ la riduzione sarà cruciale per posizionare questa tecnologia come un sostituto, o uno dei tanti sostituti, per l'industria petrolchimica, " dice Sakimoto.

Così, gli ibridi inorganici-biologici hanno potenziale commerciale? "Lo spero proprio!" lui dice. "Molti sistemi attuali nella fotosintesi artificiale richiedono elettrodi solidi, che è un costo enorme. I nostri biocarburanti algali sono molto più attraenti, come tutta la CO ₂ -to-chemical è autonomo e richiede solo una grande vasca al sole." Ma sottolinea che il sistema richiede ancora alcune modifiche per sintonizzare sia il semiconduttore che i batteri. Suggerisce anche che è possibile che il i batteri ibridi che ha creato potrebbero avere qualche analogo naturale. "Una direzione futura, se questo fenomeno esiste in natura, sarebbe quello di bioprospect per questi organismi e metterli in uso, " lui dice.