Нанодоспехи позволили бактериям поглощать углекислый газ

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.
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.
Сергей Васильев