Эксперименты биологов из Беркли показали, что полупроводниковые частицы сульфида кадмия оседают на поверхности ацетогенных бактерий. Улавливая солнечное излучение, наночастицы снабжают микробов электронами, которые нужны для усвоения углекислого газа и производства ценной уксусной кислоты, спирта и других видов органического топлива. О результатах исследования авторы рассказывают в Science.

Рост содержания углекислого газа в атмосфере заботит человечество уже на уровне правительств и международных организаций. А между тем, именно с него начинается биосинтез практически всех химических компонентов живой природы. Организмы–автотрофы фиксируют углекислый газ из атмосферы, получая органические соединения, которые затем могут использовать и другие живые существа.

Усеянные наночастицами CdS клетки M. thermoacetica под электронным микроскопом. Масштабные линейки соответствуют 500 нм. ©Kelsey K. Sakimoto et al., 2016

Например, ацетогенные бактерии, обитающие в темноте и в анаэробных условиях, могут восстанавливать углекислый газ, на выходе производя уксусную кислоту, этанол и другие нужные вещества. Дополнительного источника энергии эти процессы не требуют. Для восстановления необходимы лишь электроны, которые может поставлять молекулярный водород в ходе окисления гидрогеназами. Альтернативным источником электронов для ацетогенных реакций может служить электрическая цепь: микробы растут на катоде, принимают электроны с анода и усваивают углекислый газ, производя нужный продукт.

Известны попытки «скрестить» эти процессы с внешними источниками энергии в цепи – ветряными генераторами или солнечными батареями. Теоретически, подобные системы позволят получать органические вещества (в том числе и подходящие на роль возобновляемого источника топлива), «усваивая» лишний углекислый газ из атмосферы. Однако производительность их до сих пор остается ограниченной, а возможности масштабирования неясными.

Идея, предложенная группой профессора Пэйдун Яна (Peidong Yang), отличается от предшественников. В новой работе авторы выращивали ацетогенных Moorella thermoacetica в присутствии кадмия и цистеина (Cys). Образующиеся при этом наночастицы сульфида кадмия (CdS) оседали и закреплялись на внешней поверхности бактерий, как пластины рыцарского доспеха. Однако роль их оказалась вовсе не защитной: полупроводниковые частицы CdS улавливали фотоны солнечного света и катализировали обратимые реакции окисления цистеина в цистин, в результате которых в бактериальной клетке появлялись свободные электроны. Они использовались для восстановления углекислого газа до уксусной кислоты.

В лабораторных условиях такая цепочка «полуискусственного» фотосинтеза оказалась довольно эффективной и позволила бактериям успешно размножаться и увеличивать численность. Выход продукта был исключительно высок: на производство уксусной кислоты ушло около 90% всего поглощенного системой углекислого газа, и не более 10% – на рост самих микробов.

Автор: Сергей Васильев