Фотосинтезирующие бактерии, которым вживлены наноматериалы, уже довольно давно работают на благо экологии: уменьшают выбросы углекислого газа, позволяют производить водород. Но в них фотосинтезирующая часть отдана живому организму, а наноматериал играет вспомогательную роль: помогает метаболизму. В работе исследователей из Рочестерского университета все наоборот.
Бактерия Shewanella oneidensis
Фото: Ella Marushchenko / University of Minnesota
Бактерия Shewanella oneidensis
Фото: Ella Marushchenko / University of Minnesota
Фотосинтезом в их нанобактериальном комплексе занимается не бактерия, а полупроводниковая наночастица. А электроны, участвующие в фотокатализе, поставляет наночастице бактерия, которая вообще не способна к фотосинтезу.
«В этой системе катализ происходит в наночастице,— объясняет ведущий автор исследования Кара Брен.— Фотокатализаторы на основе наночастиц сейчас стали очень популярной областью для ученых, и мы надеемся, что появятся нанобиосистемы с целым набором разных реакций. Мы двигаемся к максимально точному управлению работой наноматериалов, вживленных в микроорганизм».
Нанокомпонент новой системы сделан из селенида кадмия. Это вещество может поглощать свет и катализировать производство водорода из воды. Раньше для того, чтобы поддерживать эту реакцию, в качестве источника электронов использовались химические вещества-восстановители. Но эффективность такого комплекса была крайне низкой: нужна была очень большая концентрация восстановителя.
Кара Брен занималась цитохромами — белками, содержащими железо; они участвуют в транспорте электронов при реакциях катализа в живых системах. Объектом исследования Брен были бактерии Shewanella oneidensis, цитохромы которой могут обеспечить транспорт электронов за пределы самой бактерии, в том числе на ионы металлов.
Брен предположила, что ее любимая Shewanella oneidensis может обеспечить транспорт электронов на селенид кадмия. Бактерии для этой работы нужен лактат, а его полно в отходах пищевого производства.
Предположение оказалось правильным, ученые попробовали несколько разных сочетаний бактерии и наноматериала из селенида кадмия и остановились на простейшем. Бактерии образовывали пленку, в которую были вкраплены наночастицы селенида кадмия. Раз запущенная, система целую неделю вырабатывала водород, ей нужен был только солнечный свет для работы. Для перезапуска достаточно пополнить запас лактата.
Концентрацию наноматериала надо подбирать тщательно, объясняет Брен: селенид кадмия токсичен для бактерий. Но в любом случае водород уже получается, и стоит это очень дешево.
По материалам статьи.