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Dieses Bakterium wird mit Gold bezahlt

Gewinnung von Sonnenenergie durch den ungewöhnlichen Appetit eines Bakteriums auf Gold

11.10.2018

Peidong Yang, UC Berkeley

Ein einzelner Nanocluster mit 22 Goldatomen - Au22 - hat einen Durchmesser von nur einem Nanometer, so dass er leicht durch die Bakterienzellwand gleitet.

Ein Bakterium namens Moorella thermoacetica wird nicht kostenlos arbeiten. Aber Forscher der UC Berkeley haben herausgefunden, dass sie Appetit auf Gold haben. Und als Gegenleistung für diese besondere Behandlung hat das Bakterium einen effizienteren Weg zur Herstellung von Biokraftstoffen durch künstliche Photosynthese aufgezeigt.

M. thermoacetica debütierte erstmals als erstes nicht-photosensitives Bakterium, das künstliche Photosynthese durchführte, in einer Studie unter der Leitung von Peidong Yang, Professor am UC Berkeley's College of Chemistry. Durch die Anhaftung von lichtabsorbierenden Nanopartikeln aus Cadmiumsulfid (CdS) an der Außenseite der Bakterienmembran verwandelten die Forscher M. thermoacetica in eine winzige Photosynthesemaschine, die Sonnenlicht und Kohlendioxid in nützliche Chemikalien umwandelt.

Jetzt haben Yang und sein Forscherteam einen besseren Weg gefunden, um dieses CO2-hungrige Bakterium noch produktiver zu machen. Durch die Platzierung von lichtabsorbierenden Goldnanoclustern im Inneren des Bakteriums haben sie ein Biohybridsystem geschaffen, das eine höhere Ausbeute an chemischen Produkten erzeugt als bisher gezeigt.

Für das erste Hybridmodell, M. thermoacetica-CdS, wählten die Forscher Cadmiumsulfid als Halbleiter wegen seiner Fähigkeit, sichtbares Licht zu absorbieren. Da Cadmiumsulfid jedoch bakterizid ist, mussten die Nanopartikel "extrazellulär" oder außerhalb des M. thermoacetica-CdS-Systems an die Zellmembran gebunden werden. Sonnenlicht regt jedes Cadmiumsulfid-Nanopartikel zur Erzeugung eines geladenen Teilchens an, das als Elektron bezeichnet wird. Während diese lichterzeugten Elektronen durch das Bakterium wandern, interagieren sie mit mehreren Enzymen in einem Prozess, der als "CO2-Reduktion" bekannt ist, und lösen eine Kaskade von Reaktionen aus, die schließlich CO2 in Acetat umwandelt, eine wertvolle Chemikalie zur Herstellung von Treibstoff.

Aber innerhalb des extrazellulären Modells interagieren die Elektronen mit anderen Chemikalien, die keinen Anteil daran haben, dass CO2 in Acetat umgewandelt wird. Und als Folge davon gehen einige Elektronen verloren und erreichen die Enzyme nie. Um also die so genannte "Quanteneffizienz" oder die Fähigkeit des Bakteriums, bei jedem Elektronengewinn Acetat zu produzieren, zu verbessern, fanden die Forscher einen anderen Halbleiter: Nanocluster aus 22 Goldatomen (Au22), ein Material, das M. thermoacetica überraschend glänzt.

"Wir haben Au22 ausgewählt, weil es ideal für die Absorption von sichtbarem Licht ist und das Potenzial hat, den CO2-Reduktionsprozess voranzutreiben, aber wir waren uns nicht sicher, ob es mit den Bakterien kompatibel ist", sagte Yang. "Als wir sie unter dem Mikroskop inspizierten, stellten wir fest, dass die Bakterien mit diesen Au22-Clustern beladen waren - und noch glücklich am Leben waren."

Die Bildgebung des M. thermoacetica-Au22-Systems erfolgte im Molecular Imaging Center der UC Berkeley.

Au22 - von den Forschern als "magischer" Goldnanocluster bezeichnet - wurde von den Forschern auch wegen seiner ultraschmalen Größe ausgewählt: Ein einzelner Au22-Nanocluster hat einen Durchmesser von nur 1 Nanometer, so dass jeder Nanocluster leicht durch die Bakterienzellwand gleiten kann.

"Durch die Fütterung von Bakterien mit Au22-Nanoclustern haben wir den Elektronenübertragungsprozess für den CO2-Reduktionsweg innerhalb der Bakterien effektiv gestrafft, wie eine Quanteneffizienz von 2,86 Prozent - oder 33 Prozent mehr Acetat, das im M. thermoacetica-Au22-System produziert wird als im CdS-Modell", sagte Yang.

Der magische Gold-Nanocluster ist die neueste Entdeckung aus Yangs Labor, das sich seit sechs Jahren auf die Verwendung von biohybriden Nanostrukturen konzentriert, um CO2 in nützliche Chemikalien umzuwandeln, um erschwingliche, reichlich vorhandene Ressourcen für erneuerbare Kraftstoffe und mögliche Lösungen zur Abwehr der Auswirkungen des Klimawandels zu finden.

"Als nächstes möchten wir einen Weg finden, um Kosten zu senken, die Lebensdauer dieser biohybriden Systeme zu verbessern und die Quanteneffizienz zu verbessern", sagte Yang. "Indem wir uns weiterhin mit dem grundlegenden Aspekt der Photoaktivierung von Goldnanoclustern befassen und den Elektronenübertragungsprozess innerhalb des CO2-Reduktionspfades verfolgen, hoffen wir, noch bessere Lösungen zu finden."

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