Исследователи создали «небоскрёбы» для бактерий

Исследователи из Кембриджского университета использовали технологию 3D печати для создания сетки высотного «наножилья» или небоскрёбов, в которых растут любящие солнце бактерии. После этого учёные смогли извлечь из бактерий отработанные электроны, которые остались от фотосинтеза. Их можно использовать для питания малогабаритной электроники.

Результаты проведённой работы были опубликованы в журнале Nature Materials. Учёные пишут, что разработка открывает новые возможности для производства энергии. Такие «биогибридные» источники солнечной энергии в будущем могут стать важным компонентом безуглеродного энергетического баланса на планете. Имеющиеся на данный момент возобновляемые технологии (биотопливо и солнечные батареи на основе кремния) намного превосходят ископаемые виды топлива по такому показателю, как выбросы углерода. Но они по-прежнему зависят от добычи полезных ископаемых, имеют проблемы с переработкой, а также зависят от земли и сельского хозяйства (выращивание таких культур приводит к утрате биоразнообразия).

Руководитель исследования из химического факультета Юсуфа Хамида, Дженни Чжан, сказала, что их подход является шагом к созданию более устойчивых устройств на основе возобновляемых источников энергии для будущего. Дженни Чжан — научный сотрудник BBSRC Дэвида Филлипса на химическом факультете и научный сотрудник Колледжа Корпус-Кристи в Кембридже. Чжан и ее коллеги из Департамента биохимии и Департамента материаловедения и металлургии ведут работы над тем, чтобы переосмыслить биоэнергетику. Основной задачей является сделать её более масштабируемой и устойчивой.

Фотосинтезирующие бактерии или цианобактерии представляют собой самую распространённую форма жизни на Земле. Исследователи уже в течение нескольких лет пытаются «перенастроить» механизмы фотосинтеза цианобактерий, чтобы извлекать из них энергию. Узким местом, по словам Чжан, является то, сколько энергии действительно можно извлекать из фотосинтетических систем. Но до недавнего времени у них не было понимания, как преодолеть это узкое место. Ряд специалистов считали, что проблема находится на биологической стороне. Однако группа Чжан выяснила, что ключ к решению проблемы находится на материальной стороне.

Чтобы был необходимый рост, цианобактериям нужно много солнечного света. Извлечение энергии, которое производится в результате фотосинтеза, происходит через электроды, прикреплённые к бактериям. Команда из Кембриджа напечатала на 3D-принтере специальные электроды из наночастиц оксида металла. Они предназначены для работы с цианобактериями в тот момент, когда те осуществляют процесс фотосинтеза.

Электроды напечатали в виде в виде сильно разветвленных, плотно упакованных столбчатых структур, похожих на крошечный город. Чжан с исследователями разработала метод печати, позволяющий контролировать несколько масштабов длины. В результате структуры получились легко настраиваемыми. Эта методика может принести пользу в большом диапазоне областей.

Чжан сказал, что электроды имеют прекрасные свойства для обработки света. Она сравнивает это с многоэтажной квартирой с большим количеством окон или небоскрёбом. Цианобактериям нужно нечто, к чему они могут прикрепиться и сформировать сообщество со своими соседями. Электроды обеспечивают баланс между большой площадью поверхности и большим количеством света. По словам учёных, получается нечто вроде стеклянного небоскрёба.

После того, как самособирающиеся цианобактерии оказались в своем доме, исследователи обнаружили, что они показывают более высокую эффективность, чем прочие современные биоэнергетические технологии. Методика позволит увеличить количество извлекаемой энергии больше чем на порядок по сравнению с прочими методами производства биоэнергии посредством фотосинтеза.

Чжан сказала, что они удивились, получив первые цифры результатов исследования. Цианобактерии представляют собой универсальные химические фабрики. Предлагаемый подход позволяет использовать пути преобразования энергии на ранней стадии. Это помогает понять, как осуществляется преобразование энергии и в дальнейшем использовать естественные механизмы для возобновляемого топлива или химического производства.

Исследование было частично подержанно Исследовательским советом по биотехнологии и биологическим наукам, Кембриджским фондом, Фондом Исаака Ньютона и Европейским исследовательским советом.