Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã tạo ra một hệ thống độc đáo kết hợp các chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng với vi khuẩn kỵ khí để thu ánh sáng và cố định carbon dioxide: một chiếc lá nhân tạo. Các vi khuẩn biến carbon dioxide thành hóa chất hữu ích trong các thuộc địa không gian. Một vấn đề là quá trình tạo ra các loại oxy phản ứng tiêu diệt vi khuẩn. Để bảo vệ chúng khỏi thiệt hại, các nhà nghiên cứu đã phát triển một ‘không gian’ của khung hữu cơ kim loại (MOF) giúp kéo dài thời gian sống của vi khuẩn đến nơi được thấy trong tự nhiên.
Giống như những bộ đồ không gian giúp các phi hành gia sống sót trong môi trường khắc nghiệt, “bộ đồ” mới được phát triển cho vi khuẩn cho phép họ sống sót trong những môi trường có thể giết chết họ.
Đại học California, Berkeley, các nhà hóa học đã phát triển các bộ quần áo bảo vệ để kéo dài tuổi thọ của vi khuẩn trong một hệ thống duy nhất kết hợp vi khuẩn sống với chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng để thu giữ carbon dioxide và biến nó thành hóa chất có thể được sử dụng trong ngành công nghiệp hoặc một ngày nào đó, trong các thuộc địa không gian.
Hệ thống bắt chước quang hợp ở thực vật. Nhưng trong khi thực vật thu giữ carbon dioxide và, với năng lượng từ ánh sáng mặt trời, chuyển đổi nó thành carbohydrate mà chúng ta thường ăn, hệ thống lai thu giữ CO 2 và ánh sáng để tạo ra nhiều hợp chất carbon, tùy thuộc vào loại vi khuẩn.
Các vi khuẩn được sử dụng trong thí nghiệm là kỵ khí, có nghĩa là chúng thích nghi để sống trong môi trường không có oxy. Bộ đồ – một miếng vá giống như các mảnh lưới gọi là khung hữu cơ kim loại, hay MOF – không thấm được oxy và các phân tử oxy phản ứng, như peroxide, giúp rút ngắn tuổi thọ của chúng.
Hệ thống hybrid có thể là một chiến thắng cùng có lợi cho ngành công nghiệp và môi trường: Nó có thể thu được carbon dioxide do các nhà máy điện phát ra và biến nó thành các sản phẩm hữu ích. Nó cũng cung cấp một cách sinh học để sản xuất các hóa chất cần thiết trong môi trường nhân tạo như tàu vũ trụ và môi trường sống trên các hành tinh khác.
Peidong Yang, Chủ tịch phân biệt về năng lượng của SK và Angela Chan cho biết: “Chúng tôi đang sử dụng công nghệ sinh học của mình để cố định CO 2 để tạo ra nhiên liệu, dược phẩm và hóa chất, cũng như cố định đạm để sản xuất phân bón”. “Nếu Matt Damon muốn trồng khoai tây trên sao Hỏa, anh ta cần phân bón.”
Yang, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và là đồng giám đốc của Viện khoa học nano năng lượng Kavli, đã đề cập đến diễn viên đóng vai nhân vật chính trong bộ phim The Martian. Nhân vật của Damon đã được kết hôn trên sao Hỏa và phải sử dụng chất thải của chính mình làm phân bón để trồng khoai tây làm thức ăn.
Nghiên cứu, được tài trợ bởi NASA thông qua Trung tâm sử dụng kỹ thuật sinh học trong không gian của UC Berkeley, sẽ được đăng trực tuyến trong tuần này trước khi xuất bản trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Science .
Sự kết hợp của vi khuẩn và chất bán dẫn
Yang và các đồng nghiệp đã phát triển hệ thống vi khuẩn lai trong năm năm qua dựa trên công trình của họ về các chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng như dây nano: dây silicon chắc chắn dài vài trăm nanomet, trong đó một nanomet là một phần tỷ mét. Mảng dây nano có thể được sử dụng để thu ánh sáng và tạo ra điện, hứa hẹn các pin mặt trời giá rẻ.
Hệ thống lai tận dụng khả năng thu ánh sáng hiệu quả của các chất bán dẫn để cung cấp điện tử cho vi khuẩn kỵ khí, thường quét các electron từ môi trường của chúng để sống. Mục đích là để tăng cường thu giữ carbon của vi khuẩn để tạo ra các hợp chất carbon hữu ích.
“Chúng tôi đang kết nối các lỗi này với một chất bán dẫn lấn át chúng bằng các điện tử, vì vậy chúng có thể thực hiện nhiều hóa học hơn”, Yang nói. “Nhưng đồng thời quá trình này cũng tạo ra tất cả các loài oxy phản ứng này, gây bất lợi cho bọ xít. Chúng tôi đang đặt những vi khuẩn này vào một cái vỏ để nếu bất kỳ loài nào trong số các chất oxy hóa này xâm nhập, lớp vỏ đầu tiên này sẽ bị phân hủy họ. “
Bộ đồ được làm bằng lưới MOF quấn quanh vi khuẩn, che nó thành từng mảng. Mặc những bộ đồ MOF này, vi khuẩn sống lâu hơn năm lần ở nồng độ oxy bình thường – 21% theo thể tích – so với không có bộ quần áo và thường dài hơn trong môi trường tự nhiên của chúng, Yang nói. Tuổi thọ bình thường của chúng dao động từ vài tuần đến vài tháng, sau đó chúng có thể được xóa khỏi hệ thống và thay thế bằng một mẻ mới.
Trong thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng vi khuẩn có tên Morella thermoacetica, sản xuất acetate (axit axetic hoặc giấm), một tiền chất phổ biến trong ngành hóa chất. Một trong những vi khuẩn thử nghiệm của họ, Sporomusa ovata, cũng sản xuất acetate.
“Chúng tôi đã chọn những vi khuẩn kỵ khí này vì độ chọn lọc của chúng đối với một sản phẩm hóa học luôn là 100%”, ông nói. “Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi đã chọn một lỗi cung cấp cho chúng tôi acetate. Nhưng bạn có thể chọn một lỗi khác để cung cấp cho bạn khí mê-tan hoặc rượu.”
Trên thực tế, các vi khuẩn lên men rượu trong bia và rượu vang và biến sữa thành phô mai và sữa chua đều là kỵ khí.
Trong khi các thí nghiệm đầu tiên của Yang với hệ thống lai ghép cặp vi khuẩn với một sợi dây nano silicon, năm 2016, ông phát hiện ra rằng việc cho vi khuẩn cadmium khuyến khích chúng tự trang trí bằng chất bán dẫn tự nhiên, cadmium sulfide, hoạt động như một chất hấp thụ ánh sáng hiệu quả cho các vi khuẩn điện tử. .
Trong thí nghiệm hiện tại, các nhà nghiên cứu đã lấy vi khuẩn được trang trí bằng cadmium sulfide và gắn chúng với một lớp MOF linh hoạt, dày một nanomet. Trong khi một MOF cứng nhắc cản trở quá trình tăng trưởng và phân tách bình thường của vi khuẩn, một miếng dán MOF dựa trên zirconium hóa ra đủ mềm để cho phép vi khuẩn phồng lên và phân chia trong khi vẫn mặc quần áo với MOF, sau đó MOF mới trong dung dịch lại mặc chúng
Đồng tác giả Omar Yaghi, người tiên phong của MOF và Chủ tịch James và Neeltje Tretter thuộc Khoa Hóa học cho biết: “Bạn có thể nghĩ về MOF 2D giống như một tấm graphene: một chiếc áo choàng dày một lớp che phủ vi khuẩn”. . “MOF 2D nổi trong dung dịch với vi khuẩn và khi vi khuẩn nhân lên, chúng được bao phủ thêm với lớp MOF 2D, vì vậy nó bảo vệ vi khuẩn khỏi oxy.”
Yang và các đồng nghiệp của ông cũng đang nỗ lực cải thiện hiệu quả thu nhận ánh sáng, chuyển điện tử và sản xuất các hợp chất cụ thể của hệ thống lai. Họ hình dung kết hợp các khả năng tối ưu hóa này với các con đường trao đổi chất mới ở những vi khuẩn này để tạo ra các phân tử phức tạp hơn bao giờ hết.
“Một khi bạn sửa chữa hoặc kích hoạt CO 2 – và đó là phần khó khăn nhất – bạn có thể sử dụng nhiều phương pháp hóa học và sinh học hiện có để nâng cấp chúng thành nhiên liệu, dược phẩm và hóa chất hàng hóa”, ông nói.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Berkeley . Bản gốc được viết bởi Robert Sanders. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :