Vědci našli způsob, jak používat živé mikroby jako malé továrny na přeměnu oxidu uhličitého na průmyslové chemikálie.
Při použití pouze světla jako zdroje podnětu / energie, tým z University of Colorado Boulder zjistil, že mohou modifikovat mikrobiální buňky tak, aby spotřebovávali CO2 a uvolňovali užitečné chemické produkty.
Dopad studie by mohl být revolucí v chemickém průmyslu; nalezení způsobu, jak biochemicky vyrábět amoniak, bionaftu, ekologicky šetrný benzín a biodegradabilní plasty s využitím CO2 jako suroviny.
„Inovace je důkazem síly biochemických procesů,“ říká Prashant Nagpal, odborný asistent na Katedře chemického a biologického inženýrství University of Colorado Boulder a hlavní autor studie. "Hledáme techniku, která by mohla zlepšit zachycování CO2 v boji proti změně klimatu a jednoho dne dokonce potenciálně nahradí výrobu plastů a paliv náročnou na uhlík."
Studie začala v roce 2013, kdy vědci zkoumali schopnosti nanoskopických kvantových teček (QD). Jsou to malé polovodičové krystaly nebo částice, které měří pouze několik nanometrů. Kvůli fyzice velmi malé (kvantové mechaniky) mají QD výjimečné optické a elektronické vlastnosti.
Průlom nastal, když tým začal vstřikovat QD do živých buněk. Poté byly vytvořeny speciálně navržené QD, které by se připojovaly a samy se skládaly na specifické enzymy uvnitř těchto buněk. To vědcům umožnilo vydávat příkazy těmto enzymům pomocí specifických vlnových délek světla.
Už věděli, že některé enzymy v buňkách běžných mikrobiálních druhů, které se nacházejí v půdě, mají schopnost přeměňovat vzdušný dusík a oxid uhličitý, ale přirozeně to tak není kvůli nedostatku fotosyntézy. Zásahem do enzymů, jsou vědci schopni tuto schopnost zapnout.
Vše, co je potřeba, je malé množství světla, které aktivuje chuť mikrobů na CO2, aniž by bylo zapotřebí energetického jídla k provádění energeticky náročných biochemických přeměn.
Výsledkem je řízený biochemický proces, jak vysvětluje tisková zpráva University of Colorado: „Mikroby, které leží ve vodě v klidu, uvolňují svůj výsledný produkt na povrch, kde je lze oddělovat a sklízet pro výrobu. Různé kombinace teček a světla produkují různé produkty: Zelené vlnové délky způsobují, že bakterie spotřebovávají dusík a produkují amoniak, zatímco červenější vlnové délky způsobují, že si mikroby hodují na CO2 a přitom vyrábějí plasty. “
"Každá buňka vyrábí miliony těchto chemikálií," poznamenává Nagpal. "Ukázali jsme, že mohou překročit svůj přirozený výnos téměř o 200%."
Tým nyní zveřejnil své výsledky v časopise Journal of American Chemical Society, kde popisuje, jak: „… sedm různých kvantových teček s jádrem a skořepinou (QD), s excitacemi v rozsahu od ultrafialové až infračervené energie, pár s cílenými enzymatickými místy v bakterii. Jsou-li osvětleny světlem, řídí tyto QD obnovitelnou výrobu různých biopaliv a chemikálií za použití oxidu uhličitého (CO2), vody a dusíku (ze vzduchu) jako substrátů. “
Konkrétně: „… tyto nanorgs katalyzují… [an] redukci vzduchu – voda – CO2… na biopaliva jako isopropanol (IPA), 2,3-butandiol (BDO), C11 – C15 methylketony (MKs) a vodík (H2) ); a chemikálie, jako je kyselina mravenčí (FA), amoniak (NH3), ethylen (C2H4) a degradovatelné bioplasty polyhydroxy butyrát (PHB). “
Je ještě zapotřebí více práce, aby se optimalizoval proces přeměny a aby se zjistilo, zda by takový systém byl praktický pro průmyslovou chemickou výrobu.
Tyto modifikované mikroby však biochemikům poskytly první pozitivní krok k sekvestraci uhlíku a novým procesům ekologické výroby chemických látek. Pravděpodobně v budoucnu by jednotlivé domy mohly udržovat malé jezírka plné organismů, které by mohly přeměnit atmosférický CO2 na užitečný chemický produkt.
"I když jsou marže nízké a nemůžou konkurovat petrochemikáliím na základě čistých nákladů, je to pro společnost stále prospěšné," řekl Nagpal. "Kdybychom dokázali přeměnit i malý zlomek místních příkopových rybníků, mělo by to značný dopad na produkci uhlíku ve městech." To by se od lidí tolik nepožadovalo. Mnoho z nich již například vyrábí pivo doma, a toto už není složitější. “
Tým již věří, že buňky se regenerují samy, protože mikrobiální továrny, které zřídily, fungovaly celé hodiny, aniž by vykazovaly známky vyčerpání nebo poklesu.
"Byli jsme velmi překvapeni, že to fungovalo pořád stejně elegantně," řekl Nagpal.
Zatímco zachycení konečného chemického produktu může být problematické a zabraňuje průmyslové chemické výrobě z půdních mikrobů, tým alespoň otevřel dveře možností dostupných pro praktické, biochemické procesy.
Biochemie těchto mikrobů je opravdu úžasná. Jak studie uzavírá, „… tyto klidové buňky fungují jako nanomikrobiální [chemické] továrny poháněné světlem.“
Fotografický kredit: Journal of American Chemical Society, & UniversityofColorado
