Le nanoparticelle di rame (Cu-NP) hanno un'ampia gamma di applicazioni come catalizzatori, in campi scientifici diversi come la scoperta di farmaci e la scienza dei materiali. L'abbondanza naturale di rame, e il suo costo relativamente basso, lo rende una valida alternativa ai catalizzatori realizzati con metalli preziosi rari e costosi, come platino e palladio. Però, la sintesi di Cu-NP di solito comporta alte temperature e solventi tossici. Inoltre, Le Cu-NP prodotte tramite sintesi convenzionale tendono ad agglomerarsi e ossidarsi, e richiedono l'uso di sostanze chimiche inorganiche per mantenere la loro attività catalitica. Nuova ricerca, pubblicato in Piccolo , dettaglia gli esperimenti di prova del concetto che dimostrano che il batterio riducente i metalli Shewanella oneidensis offre un percorso più ecologico per la sintesi Cu-NP, e il potenziale per recuperare il rame dai flussi di acque reflue.

Biosintesi batterica di Cu-NPs

Se riusciamo a sfruttare il metabolismo dei batteri che riducono i metalli, questo ci offre una strada per il basso costo, sintesi di nanoparticelle semplice e rispettosa dell'ambiente. Questo è il primo studio a indagare la bioriduzione degli ioni rame(II) solubili e la sintesi di Cu-NP utilizzando batteri anaerobici metal-riduttori, organismi che esistono naturalmente nei sedimenti anaerobici, e guadagnare lì energia trasferendo elettroni dalla materia organica ai metalli nei sedimenti. Shewanella oneidensis è una delle specie più versatili e ben studiate di batteri che riducono i metalli, in grado di ridurre un'ampia gamma di metalli in condizioni di laboratorio. È stato isolato per la prima volta nel 1988, dal professor Ken Nealson, dai sedimenti del lago Oneida a New York (da cui prende il nome). È stato scelto per questi esperimenti per la sua versatilità come riduttore di metalli e per il sequenziamento dell'intero genoma. La risultante disponibilità di ceppi mutanti consente di indagare sulla via coinvolta nella riduzione dei metalli (ad esempio gli enzimi coinvolti). L'identificazione della via di trasferimento degli elettroni coinvolta nella riduzione del Cu potrebbe portare a miglioramenti dell'efficienza in futuro. I risultati dimostrano che è possibile utilizzare Shewanella oneidensis per la bioriduzione degli ioni rame(II), formando nanoparticelle di Cu(0) elementari, che di per sé è sorprendente poiché molte forme di rame sono note per essere tossiche, utilizzato come disinfettante e fungicida, ed è stato studiato per l'uso in superfici antimicrobiche.

Questo nuovo processo spunta tutte le caselle per la "sintesi verde", in quanto è in grado di produrre Cu-NP a temperatura ambiente, in acqua. Inoltre, durante le prove di catalisi le Cu-NP non sono state separate dalla biomassa, e il batterio ha agito come matrice di supporto per le nanoparticelle, eliminando la necessità di additivi inorganici e rendendo le Cu-NP più reattive. Finalmente, il catalizzatore può essere facilmente filtrato utilizzando una centrifuga, consentendone il riutilizzo.

Gli esperimenti finanziati dal NERC hanno utilizzato la spettroscopia di assorbimento di raggi X near-edge (XANES) e l'analisi di spettroscopia a struttura fine di assorbimento di raggi X estesa (EXAFS) su B18 (una linea di luce XAS di uso generale) per dimostrare che le nanoparticelle prodotte sono rame , e per identificare il suo stato di ossidazione. Le misurazioni XAS a raggi X molli sono state eseguite utilizzando la linea di luce I10 di Diamond. Queste prime indagini hanno utilizzato sali metallici, ma il team di ricerca sta passando a esaminare l'utilizzo dei flussi di acque reflue industriali. Per l'autore principale, Dr. Richard Kimber della School of Earth and Environmental Sciences dell'Università di Manchester, questo è l'obiettivo finale del progetto. Lui dice, "È importante recuperare i metalli dalle acque reflue, per evitare che contaminano l'ambiente. Quello che stiamo guardando qui è un modo per creare prodotti di alto valore dal trattamento dei rifiuti, in modo che si ripaghi da solo".

Il lavoro futuro studierà anche modi per ottimizzare il sistema, compresa la determinazione dei tempi di reazione ottimali e del caricamento Cu-NP, per migliorare i rendimenti. C'è anche del lavoro da fare per comprendere il percorso che il batterio utilizza per ridurre il rame. Di solito i batteri che riducono i metalli utilizzano metalli comuni (come il ferro) per la respirazione. I primi risultati suggeriscono che questo non è il caso di Shewanella oneidensis e rame, forse non sorprende data la natura tossica del metallo. La via di trasferimento degli elettroni potrebbe essere parte dei meccanismi di disintossicazione/difesa del batterio, ma è necessario lavorare di più. Una comprensione del percorso renderebbe più facile aumentare la resa dei Cu-NP prodotti e potenzialmente perfezionare le loro proprietà. Con questo in testa, il team di ricerca con sede a Manchester è desideroso di utilizzare gli ultimi progressi della biologia sintetica per realizzare la prossima generazione di catalizzatori per l'industria. Il prof Jon Lloyd che guida la ricerca in questo settore (insieme ai colleghi dell'Institute of Biotechnology di Manchester) osserva "questo nuovo studio ci fornisce un nuovo tipo di nanocatalizzatore metallico che speriamo possa essere molto utile per l'industria chimica, e siamo molto desiderosi di estendere l'utilità di questo approccio attraverso l'incorporazione di materiali catalitici aggiuntivi (enzimi e altre nanoparticelle metalliche) nelle cellule ospiti che abbiamo usato per questo studio attuale. Questo lavoro costituisce la base di un nuovo progetto BBSRC per il team."