Proprio come le tute spaziali aiutano gli astronauti a sopravvivere in ambienti inospitali, "tute spaziali" di nuova concezione per i batteri consentono loro di sopravvivere in ambienti che altrimenti li ucciderebbero.

Università della California, Berkeley, i chimici hanno sviluppato le tute protettive per estendere la durata della vita dei batteri in un sistema unico che accoppia batteri vivi con semiconduttori che assorbono la luce per catturare l'anidride carbonica e convertirla in sostanze chimiche che possono essere utilizzate dall'industria o, un giorno, nelle colonie spaziali.

Il sistema imita la fotosintesi nelle piante. Ma mentre le piante catturano l'anidride carbonica e, con l'energia della luce del sole, convertirlo in carboidrati che mangiamo spesso, il sistema ibrido cattura CO2 e luce per produrre una varietà di composti di carbonio, a seconda del tipo di batterio.

I batteri utilizzati nell'esperimento sono anaerobi, il che significa che sono adattati a vivere in ambienti senza ossigeno. La tuta, un patchwork di pezzi simili a maglie chiamato struttura metallo-organica, o MOF:è impermeabile all'ossigeno e alle molecole reattive dell'ossigeno, come il perossido, che ne accorciano la durata.

Il sistema ibrido potrebbe essere vantaggioso per l'industria e l'ambiente:può catturare l'anidride carbonica emessa dalle centrali elettriche e trasformarla in prodotti utili. Fornisce anche un modo biologico per produrre le sostanze chimiche necessarie in ambienti artificiali come astronavi e habitat su altri pianeti.

"Stiamo usando il nostro bioibrido per fissare la CO2 per produrre combustibili, prodotti farmaceutici e chimici, e anche la fissazione dell'azoto per produrre fertilizzante, " disse Peidong Yang, la S.K. e Angela Chan Distinguished Chair in Energy presso il Dipartimento di Chimica dell'UC Berkeley. "Se Matt Damon vuole coltivare patate su Marte, ha bisogno di fertilizzante."

Yang, uno scienziato di facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e co-direttore del Kavli Energy Nanoscience Institute, si riferiva all'attore che interpretava il protagonista nel film The Martian. Il personaggio di Damon è stato abbandonato su Marte e ha dovuto usare i propri rifiuti come fertilizzante per coltivare patate per il cibo.

La ricerca, finanziato dalla NASA attraverso il Center for the Utilization of Biological Engineering in Space della UC Berkeley, sarà pubblicato online questa settimana prima della pubblicazione sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Un ibrido di batteri e semiconduttori

Yang e i suoi colleghi hanno sviluppato il sistema batterico ibrido negli ultimi cinque anni sulla base del loro lavoro sui semiconduttori che assorbono la luce come i nanofili:fili solidi di silicio di poche centinaia di nanometri di diametro, dove un nanometro è un miliardesimo di metro. Le matrici di nanofili possono essere utilizzate per catturare la luce e generare elettricità, promettenti celle solari a basso costo.

Il sistema ibrido sfrutta un'efficiente cattura della luce da parte dei semiconduttori per fornire elettroni ai batteri anaerobici, che normalmente eliminano gli elettroni dal loro ambiente per vivere. L'obiettivo è aumentare la cattura del carbonio da parte dei batteri per sfornare composti di carbonio utili.

"Stiamo interfacciando questi insetti con un semiconduttore che li sommerge di elettroni, così possono fare più chimica, " ha detto Yang. "Ma allo stesso tempo questo processo genera anche tutte queste specie reattive dell'ossigeno, che sono dannosi per gli insetti. Stiamo mettendo questi batteri in un guscio in modo che se entra una di queste specie ossidanti, questa prima difesa, il guscio, li decompone."

La tuta è composta da una rete MOF che avvolge i batteri, coprendolo a chiazze. Indossando questi abiti MOF, i batteri vivono cinque volte più a lungo alle normali concentrazioni di ossigeno - 21 percento in volume - che senza le tute, e spesso più a lungo che nel loro ambiente naturale, ha detto Yang. La loro normale durata della vita varia da settimane a mesi, dopodiché possono essere lavati dall'impianto e sostituiti con un nuovo lotto.

In questo esperimento, i ricercatori hanno utilizzato batteri chiamati Morella thermoacetica, che producono acetato (acido acetico, o aceto), un precursore comune nell'industria chimica. Un altro dei loro batteri di prova, Sporomusa ovata, produce anche acetato.

"Abbiamo scelto questi batteri anaerobici perché la loro selettività verso un prodotto chimico è sempre del 100%, " ha detto. "Nel nostro caso, abbiamo scelto un insetto che ci fornisce acetato. Ma potresti selezionare un altro insetto per darti metano o alcol."

Infatti, i batteri che fermentano l'alcol nella birra e nel vino e trasformano il latte in formaggio e yogurt sono tutti anaerobi.

Mentre i primi esperimenti di Yang con il sistema ibrido accoppiavano i batteri con una setola di nanofili di silicio, nel 2016 ha scoperto che nutrire i batteri con il cadmio li incoraggiava a decorarsi con un semiconduttore naturale, solfuro di cadmio, che agisce come un efficiente assorbitore di luce che alimenta gli elettroni dei batteri.

Nell'esperimento in corso, i ricercatori hanno preso batteri decorati con solfuro di cadmio e li hanno avvolti con un flessibile, uno strato di MOF dello spessore di un nanometro. Mentre un MOF rigido interferiva con il normale processo di crescita e scissione dei batteri, un cerotto MOF a base di zirconio si è rivelato abbastanza morbido da consentire ai batteri di gonfiarsi e dividersi mentre erano ancora vestiti con MOF, dopo di che il nuovo MOF nella soluzione li ha rivestiti.

"Puoi pensare al MOF 2-D come un foglio di grafene:un mantello spesso uno strato che copre i batteri, " ha detto il co-autore Omar Yaghi, un pioniere dei MOF e la cattedra James e Neeltje Tretter nel Dipartimento di Chimica. "Il MOF 2-D galleggia in soluzione con i batteri, e man mano che i batteri si replicano vengono ulteriormente ricoperti con lo strato MOF 2-D, quindi protegge i batteri dall'ossigeno."

Yang e i suoi colleghi stanno anche lavorando per migliorare l'efficienza di cattura della luce del sistema ibrido, trasferimento di elettroni e produzione di composti specifici. Immaginano di combinare queste capacità ottimizzate con nuove vie metaboliche in questi batteri per produrre molecole sempre più complesse.

"Una volta che si aggiusta o si attiva la CO2, e questa è la parte più difficile, è possibile utilizzare molti approcci chimici e biologici esistenti per trasformarli in combustibili, prodotti farmaceutici e prodotti chimici di base, " Egli ha detto.