Explorando o potencial da biossíntese periplasmática para energia solar eficiente

28 de julho de 2023

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por Li Yuan, Academia Chinesa de Ciências

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia Avançada de Shenzhen (SIAT) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) e da Universidade de Chicago descobriram precipitação de nanoclusters semicondutores no espaço periplasmático de bactérias Gram-negativas para uma produção química eficiente movida a energia solar. As descobertas foram publicadas na Science Advances em 21 de julho.

A biomineralização, processo que envolve a deposição de substâncias inorgânicas ao redor de células e tecidos biológicos, leva à formação de materiais compósitos. As bactérias têm a capacidade de extrair íons metálicos do ambiente e produzir materiais funcionais.

O espaço periplasmático, matriz semelhante a gel entre a membrana citoplasmática interna e a membrana externa das bactérias, oferece oportunidades únicas para sintetizar e utilizar nanomateriais em um ambiente confinado.

O espaço periplasmático das bactérias Gram-negativas, caracterizado por enzimas abundantes e peptidoglicano, fornece um terreno fértil para a biomineralização. Além disso, as bactérias Gram-negativas possuem uma cadeia de transporte de elétrons intimamente conectada ao periplasma, o que facilita a transferência de elétrons induzidos pela luz do semicondutor para a cadeia de transporte de elétrons para redução da regeneração de energia intracelular. Nanoaglomerados de semicondutores ricos em defeitos produzidos in-situ podem elevar os níveis de trifosfato de adenosina (ATP) e aumentar a produção de malato sob condições de luz.

Além disso, a equipe expandiu a sustentabilidade da biossíntese periplasmática, incluindo a redução do teor de metais pesados, a criação de um biorreator vivo e a construção de um sistema de fotossíntese semi-artificial. Ao aproveitar o poder da biomineralização, a biossíntese periplasmática mostrou imenso potencial como plataforma para diversas aplicações sustentáveis.

"Acreditamos que a biossíntese periplasmática pode servir como um modelo inestimável baseado na fotossíntese semi-artificial para a biocatálise e sustentabilidade movida pela energia solar", disse o professor Gao Xiang, co-autor do estudo.

A biossíntese de semicondutores é altamente adaptável, permitindo biocompatibilidade controlada e emparelhamento eficiente com componentes bacterianos, servindo como fonte de elétrons para processos metabólicos. Embora a síntese de nanopartículas metálicas dentro do periplasma tenha sido relatada, estudos sobre interfaces biológicas baseadas em semicondutores neste espaço são raros, particularmente em termos de biorregulação e sustentabilidade multinível.

A equipe de pesquisa desenvolveu uma abordagem não genética para a biomineralização de semicondutores no periplasma de E. coli (o organismo modelo das bactérias Gram-negativas) e de biohíbridos microbianos. Os nanoaglomerados semicondutores exibiram cristalinidade reduzida e foram estabilizados pela matriz de peptidoglicano periplasmático, proporcionando uma interface mais suave com a célula bacteriana. Eles investigaram os mecanismos subjacentes de materiais e caracterização biológica e descobriram que nanoaglomerados semicondutores (por exemplo, CdS) eram mediados pela via de produção de H2S.

As descobertas destacam a natureza pouco explorada do espaço periplasmático em bactérias, que é potencial para a construção de biohíbridos baseados em semicondutores que podem ser aplicados na remediação ambiental, na fabricação de biorreatores vivos e na fotossíntese semi-artificial para bioprodução e sustentabilidade.

A biomineralização periplasmática formando plataforma biohíbrida de bactérias semicondutoras desenvolvida pela equipe de pesquisa para a produção química movida a energia solar pode ser potencialmente estendida a outras bactérias ou células, enriquecendo as aplicações de biorremediação com sustentabilidade adicional.