L'immobilizzazione è considerata una strategia fattibile per affrontare la tossicità e l'inquinamento da nanomateriali dovuto ai nanocatalizzatori nelle applicazioni pratiche. Un team di ricerca della ShanghaiTech University raccolto geneticamente Escherichia coli biofilm come substrati viventi per immobilizzare catalizzatori su scala nanometrica. La matrice di biofilm fornisce un'interfaccia benigna e robusta tra nanocatalizzatori e cellule viventi, su cui sono stati dimostrati tre sistemi di reazione catalitica sintonizzabili e riciclabili.

Gli oggetti su scala nanometrica (1-100 nm) sono desiderabili nanocatalizzatori caratterizzati da più siti attivi catalitici a causa di rapporti superficie-volume più elevati. La natura su scala nanometrica comporta diverse sfide conseguenti, come la fuoriuscita di nanocatalizzatori nell'ambiente e difficoltà nel riutilizzare i nanocatalizzatori in cicli di reazione ripetuti. Una delle principali strategie per affrontare queste sfide è stata l'immobilizzazione di nano-oggetti su vari substrati tramite una varietà di approcci tecnologici. Però, i substrati inorganici e bio-derivati ​​o bio-ispirati ovviamente mancano di attributi "solo biologici" come l'auto-rigenerazione, scalabilità basata sulla crescita cellulare, e la capacità delle cellule di biosintetizzare enzimi complessi, substrati, coenzimi, o altri reagenti richiesti o componenti di reazione in situ. Inoltre, studi che hanno immobilizzato nano-oggetti direttamente sulle superfici cellulari hanno riportato danni alle cellule.

Il gruppo Zhong della Divisione Materiali e Biologia Fisica, presso la ShanghaiTech University ha compiuto un importante progresso concettuale nello sviluppo di una nuova interfaccia abiotica/biotica verso l'integrazione e l'immobilizzazione di oggetti su scala nanometrica con cellule viventi per la catalisi. Molto brevemente, hanno mostrato con successo come si esprimevano i monomeri amiloidi ingegnerizzati, secreto e assemblato nella matrice extracellulare del vivente Escherichia coli ( E. coli ) i biofilm possono essere sfruttati per ancorare catalizzatori funzionali su nanoscala per rendere altamente efficienti, scalabile, sintonizzabile, e sistemi di catalizzatori viventi riutilizzabili. Nei loro studi di proof-of-concept, hanno dimostrato tre semplici sistemi catalitici, comprese le nanoparticelle d'oro ancorate a biofilm per degradare l'inquinante p-nitrofenolo, Cd . ibrido ancorato a biofilm _0.9 Zn _0.1 S punti quantici (QD) e nanoparticelle d'oro per degradare in modo efficiente i coloranti organici, e CdSeS@ZnS QD ancorati a biofilm in un sistema di fotosintesi semi-artificiale a doppio ceppo batterico per la produzione di idrogeno. Come rivelato nei loro studi, la matrice extracellulare nei biofilm fornisce infatti un ambiente ideale per interfacciare e ancorare nano-oggetti per la catalisi diretta e per la loro integrazione con il metabolismo delle cellule viventi:anche dopo più cicli di reazioni, i nanocatalizzatori erano ancora saldamente ancorati ai biofilm e E. coli le cellule erano ancora vive per una facile rigenerazione. È importante sottolineare che un tale approccio aprirebbe gli attributi estremamente potenti e unici dei sistemi viventi.

Esiste una grande diversità di biofilm batterici con diverse funzionalità in natura, e il loro studio pone quindi le basi concettuali per accoppiare le proprietà e le capacità dinamiche uniche di questi materiali viventi con le nanoparticelle altamente reattive per risolvere in modo innovativo le sfide nel biorisanamento, bioconversione, ed energia. La loro ricerca stimolerà ulteriori ricerche per la creazione di sistemi di reazione più efficienti e importanti dal punto di vista industriale costruendo e integrando biofilm più complessi/sistemi catalitici ibridi inorganici.