Исследование потенциала периплазматического биосинтеза для эффективного производства химических веществ с помощью солнечной энергии

Учёные из Шэньчжэньского института перспективных технологий (SIAT) Китайской академии наук (CAS) и Чикагского университета обнаружили образование полупроводниковых нанокластеров в периплазматическом пространстве грамотрицательных бактерий для эффективного солнечного производства химических веществ. Результаты опубликованы в Science Advances 21 июля.

Биоминерализация — процесс отложения неорганических веществ вокруг биологических клеток и тканей — приводит к образованию композитных материалов. Бактерии способны извлекать ионы металлов из окружающей среды и производить функциональные материалы.

Периплазматическое пространство, гелеобразная матрица между внутренней цитоплазматической мембраной и внешней мембраной бактерий, предоставляет уникальные возможности для синтеза и использования наноматериалов в ограниченной среде.

Периплазма грамотрицательных бактерий, характеризующаяся обилием ферментов и пептидогликана, является благодатной почвой для биоминерализации. Кроме того, у грамотрицательных бактерий дыхательная цепь переноса электронов тесно связана с периплазмой, что облегчает перенос светоиндуцированных электронов от полупроводника к этой цепи для регенерации внутриклеточной восстановительной силы. Образующиеся in situ богатые дефектами полупроводниковые нанокластеры могут повышать уровень аденозинтрифосфата (АТФ) и усиливать продукцию малата в условиях освещения.

Команда также расширила концепцию устойчивости периплазматического биосинтеза, включив в неё снижение содержания тяжёлых металлов, создание живого биореактора и построение полуискусственной фотосинтетической системы. Используя силу биоминерализации, периплазматический биосинтез показал огромный потенциал в качестве платформы для различных устойчивых применений.

«Мы считаем, что периплазматический биосинтез может служить бесценной моделью на основе полуискусственного фотосинтеза для солнечно-управляемой биокаталитической реакции и устойчивого развития», — заявил профессор Гао Сян, соавтор исследования.

Биосинтез полупроводников обладает высокой адаптивностью, позволяя контролировать биосовместимость и эффективно интегрироваться с бактериальными компонентами, служа источником электронов для метаболических процессов. Хотя синтез металлических наночастиц в периплазме уже описывался, исследования полупроводниковых биологических интерфейсов в этом пространстве редки, особенно в аспектах биорегуляции и многоуровневой устойчивости.

Исследовательская группа разработала негенетический подход для биоминерализации полупроводников в периплазме E. coli (модельного организма грамотрицательных бактерий) и создания микробных биогибридов. Полупроводниковые нанокластеры демонстрировали пониженную кристалличность и стабилизировались периплазматической пептидогликановой матрицей, обеспечивая более «мягкий» интерфейс с бактериальной клеткой. Изучив механизмы на уровне материалов и биологическую характеристику, учёные обнаружили, что образование полупроводниковых нанокластеров (например, CdS) опосредовано путем продукции H₂S.

Результаты подчёркивают недостаточно изученный потенциал периплазматического пространства бактерий для создания полупроводниковых биогибридов, которые могут применяться в восстановлении окружающей среды, создании живых биореакторов и полуискусственном фотосинтезе для биопроизводства и устойчивого развития.

Разработанная исследователями платформа биогибридов «полупроводник-бактерия» на основе периплазматической биоминерализации для солнечного производства химических веществ потенциально может быть расширена на другие бактерии или клетки, обогащая приложения в области биоремедиации дополнительными аспектами устойчивости.