Un batterio chiamato Moorella thermoacetica non funzionerà gratuitamente. Ma i ricercatori dell'UC Berkeley hanno scoperto che ha un appetito per l'oro. E in cambio di questo trattamento speciale, il batterio ha rivelato un percorso più efficiente per produrre combustibili solari attraverso la fotosintesi artificiale.

M. thermoacetica ha debuttato per la prima volta come primo batterio non fotosensibile a svolgere la fotosintesi artificiale in uno studio condotto da Peidong Yang, un professore al College of Chemistry dell'UC Berkeley. Attaccando nanoparticelle che assorbono la luce fatte di solfuro di cadmio (CdS) all'esterno della membrana batterica, i ricercatori hanno trasformato M. thermoacetica in una minuscola macchina per la fotosintesi, convertire la luce solare e l'anidride carbonica in sostanze chimiche utili.

Ora Yang e il suo team di ricercatori hanno trovato un modo migliore per invogliare questo batterio affamato di CO2 a essere ancora più produttivo. Posizionando nanocluster d'oro che assorbono la luce all'interno del batterio, hanno creato un sistema bioibrido che produce una resa maggiore di prodotti chimici rispetto a quanto dimostrato in precedenza. La ricerca, finanziato dall'Istituto Superiore di Sanità, è stato pubblicato il 1 ottobre in Nanotecnologia della natura .

Per il primo modello ibrido, M. termoacetica-CdS, i ricercatori hanno scelto il solfuro di cadmio come semiconduttore per la sua capacità di assorbire la luce visibile. Ma poiché il solfuro di cadmio è tossico per i batteri, le nanoparticelle dovevano essere attaccate alla membrana cellulare "extracellularmente, " o al di fuori del sistema M. thermoacetica-CdS. La luce solare eccita ogni nanoparticella di solfuro di cadmio generando una particella carica nota come elettrone. Mentre questi elettroni generati dalla luce viaggiano attraverso il batterio, interagiscono con più enzimi in un processo noto come "riduzione di CO2, " innescando una cascata di reazioni che alla fine trasforma la CO2 in acetato, una sostanza chimica preziosa per la produzione di combustibili solari.

Ma all'interno del modello extracellulare, gli elettroni finiscono per interagire con altre sostanze chimiche che non hanno alcun ruolo nel trasformare la CO2 in acetato. E come risultato, alcuni elettroni vengono persi e non raggiungono mai gli enzimi. Quindi, per migliorare la cosiddetta "efficienza quantistica, "o la capacità del batterio di produrre acetato ogni volta che acquisisce un elettrone, i ricercatori hanno trovato un altro semiconduttore:nanocluster composti da 22 atomi d'oro (Au22), un materiale a cui M. thermoacetica ha preso una lucentezza sorprendente.

"Abbiamo selezionato Au22 perché è l'ideale per assorbire la luce visibile e ha il potenziale per guidare il processo di riduzione della CO2, ma non eravamo sicuri che fosse compatibile con i batteri, " Yang ha detto. "Quando li abbiamo ispezionati al microscopio, abbiamo scoperto che i batteri erano carichi di questi ammassi di Au22 ed erano ancora felicemente vivi".

L'imaging del sistema M. thermoacetica-Au22 è stato eseguito presso il Molecular Imaging Center della UC Berkeley.

I ricercatori hanno anche selezionato Au22 ¬- soprannominato dai ricercatori come nanocluster d'oro "magici" per le sue dimensioni ultraridotte:un singolo nanocluster Au22 ha un diametro di solo 1 nanometro, consentendo a ciascun nanocluster di scivolare facilmente attraverso la parete cellulare batterica.

"Nutrindo i batteri con nanocluster Au22, abbiamo snellito efficacemente il processo di trasferimento degli elettroni per il percorso di riduzione della CO2 all'interno dei batteri, come evidenziato da un'efficienza quantica del 2,86 percento o 33 percento in più di acetato prodotto all'interno del sistema M. thermoacetica-Au22 rispetto al modello CdS, " ha detto Yang.

Il magico nanocluster d'oro è l'ultima scoperta uscita dal laboratorio di Yang, che negli ultimi sei anni si è concentrata sull'utilizzo di nanostrutture bioibride per convertire la CO2 in sostanze chimiche utili come parte di uno sforzo continuo per trovare a prezzi accessibili, abbondanti risorse per i combustibili rinnovabili, e potenziali soluzioni per contrastare gli effetti del cambiamento climatico.

"Prossimo, vorremmo trovare un modo per ridurre i costi, migliorare la durata di questi sistemi bioibridi, e migliorare l'efficienza quantistica, " Yang ha detto. "Continuando a guardare l'aspetto fondamentale di come i nanocluster d'oro vengono fotoattivati, e seguendo il processo di trasferimento di elettroni all'interno del percorso di riduzione della CO2, speriamo di trovare soluzioni ancora migliori".