Esplorare il potenziale della biosintesi periplasmatica per un sistema solare efficiente

28 luglio 2023

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di Li Yuan, Accademia Cinese delle Scienze

I ricercatori dello Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) dell’Accademia cinese delle scienze (CAS) e dell’Università di Chicago hanno scoperto la precipitazione di nanocluster di semiconduttori all’interno dello spazio periplasmatico di batteri Gram-negativi per un’efficiente produzione chimica guidata dal sole. I risultati sono stati pubblicati su Science Advances il 21 luglio.

La biomineralizzazione, un processo che comporta la deposizione di sostanze inorganiche attorno a cellule e tessuti biologici, porta alla formazione di materiali compositi. I batteri hanno la capacità di estrarre ioni metallici dall'ambiente circostante e produrre materiali funzionali.

Lo spazio periplasmatico, matrice gelatinosa tra la membrana citoplasmatica interna e la membrana esterna dei batteri, offre opportunità uniche per sintetizzare e utilizzare nanomateriali all'interno di un ambiente confinato.

Lo spazio periplasmatico dei batteri Gram-negativi, caratterizzato da abbondanti enzimi e peptidoglicani, fornisce un terreno fertile per la biomineralizzazione. Inoltre, i batteri Gram-negativi hanno una catena di trasporto degli elettroni strettamente connessa al periplasma, che facilita il trasferimento degli elettroni indotti dalla luce dal semiconduttore alla catena di trasporto degli elettroni per la rigenerazione della potenza riducente intracellulare. Nanocluster di semiconduttori ricchi di difetti prodotti in situ potrebbero aumentare i livelli di adenosina trifosfato (ATP) e migliorare la produzione di malato in condizioni di luce.

Inoltre, il team ha ampliato la sostenibilità della biosintesi periplasmatica, riducendo il contenuto di metalli pesanti, creando un bioreattore vivente e costruendo un sistema di fotosintesi semi-artificiale. Sfruttando il potere della biomineralizzazione, la biosintesi periplasmatica ha mostrato un immenso potenziale come piattaforma per varie applicazioni sostenibili.

"Crediamo che la biosintesi periplasmatica possa fungere da inestimabile modello basato sulla fotosintesi semi-artificiale per la biocatalisi e la sostenibilità alimentate dal sole", ha affermato il prof. Gao Xiang, coautore dello studio.

La biosintesi dei semiconduttori è altamente adattabile e consente una biocompatibilità controllata e un accoppiamento efficiente con i componenti batterici, fungendo da fonte di elettroni per i processi metabolici. Sebbene sia stata segnalata la sintesi di nanoparticelle metalliche all'interno del periplasma, gli studi sulle interfacce biologiche basate su semiconduttori in questo spazio sono rari, in particolare in termini di bioregolazione e sostenibilità multilivello.

Il gruppo di ricerca ha sviluppato un approccio non genetico per la biomineralizzazione dei semiconduttori nel periplasma di E. coli (l'organismo modello dei batteri Gram-negativi) e da bioibridi microbici. I nanocluster semiconduttori hanno mostrato una cristallinità ridotta e sono stati stabilizzati dalla matrice peptidoglicana periplasmatica, fornendo un'interfaccia più morbida con la cellula batterica. Hanno studiato i meccanismi alla base dei materiali e della caratterizzazione biologica e hanno scoperto che i nanocluster di semiconduttori (ad esempio, CdS) erano mediati dal percorso di produzione di H2S.

I risultati evidenziano la natura sottoesplorata dello spazio periplasmatico nei batteri, che potrebbe potenzialmente costruire bioibridi basati su semiconduttori che possono essere applicati nella bonifica ambientale, nella fabbricazione di bioreattori viventi e nella fotosintesi semi-artificiale per la bioproduzione e la sostenibilità.

La biomineralizzazione periplasmatica che forma una piattaforma bioibrida semiconduttore-batteri sviluppata dal gruppo di ricerca per la produzione chimica alimentata dall’energia solare può essere potenzialmente estesa ad altri batteri o cellule, arricchendo le applicazioni di biorisanamento con ulteriore sostenibilità.