Así como los trajes espaciales ayudan a los astronautas a sobrevivir en entornos inhóspitos, Los "trajes espaciales" recientemente desarrollados para las bacterias les permiten sobrevivir en entornos que de otro modo las matarían.

Universidad de California, Berkeley, Los químicos desarrollaron trajes protectores para extender la vida útil de las bacterias en un sistema único que combina bacterias vivas con semiconductores que absorben la luz para capturar el dióxido de carbono y convertirlo en productos químicos que pueden ser utilizados por la industria o, algún día, en colonias espaciales.

El sistema imita la fotosíntesis en las plantas. Pero mientras las plantas capturan dióxido de carbono y, con la energía de la luz del sol, convertirlo en carbohidratos que comemos a menudo, el sistema híbrido captura CO2 y luz para producir una variedad de compuestos de carbono, dependiendo del tipo de bacteria.

Las bacterias utilizadas en el experimento son anaeróbicas, lo que significa que están adaptados para vivir en ambientes sin oxígeno. El traje, un mosaico de piezas en forma de malla llamado armazón orgánico de metal, o MOF:es impermeable al oxígeno y a las moléculas reactivas de oxígeno, como el peróxido, que acortan su vida útil.

El sistema híbrido podría ser beneficioso para la industria y el medio ambiente:puede capturar el dióxido de carbono emitido por las centrales eléctricas y convertirlo en productos útiles. También proporciona una forma biológica de producir los productos químicos necesarios en entornos artificiales como naves espaciales y hábitats en otros planetas.

"Estamos utilizando nuestro biohíbrido para fijar CO2 y producir combustibles, productos farmacéuticos y químicos, y también fijación de nitrógeno para hacer fertilizantes, "dijo Peidong Yang, la Cátedra Distinguida de Energía de S. K. y Angela Chan en el Departamento de Química de UC Berkeley. "Si Matt Damon quiere cultivar patatas en Marte, necesita fertilizante ".

Yang un científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y codirector del Instituto Kavli Energy Nanocience, Se refería al actor que interpretó al protagonista de la película El marciano. El personaje de Damon quedó abandonado en Marte y tuvo que usar sus propios desechos como fertilizante para cultivar papas como alimento.

La investigación, financiado por la NASA a través del Centro para la Utilización de Ingeniería Biológica en el Espacio de UC Berkeley, se publicará en línea esta semana antes de su publicación en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Un híbrido de bacterias y semiconductores.

Yang y sus colegas desarrollaron el sistema bacteriano híbrido durante los últimos cinco años basándose en su trabajo en semiconductores absorbentes de luz como los nanocables:cables sólidos de silicio de unos pocos cientos de nanómetros de diámetro, donde un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro. Se pueden utilizar matrices de nanocables para capturar luz y generar electricidad, prometedoras células solares baratas.

El sistema híbrido aprovecha la captura de luz eficiente por semiconductores para alimentar electrones a bacterias anaeróbicas. que normalmente recolectan electrones de su entorno para vivir. El objetivo es impulsar la captura de carbono por parte de las bacterias para producir compuestos de carbono útiles.

"Estamos conectando estos errores con un semiconductor que los abruma con electrones, para que puedan hacer más química, ", Dijo Yang." Pero al mismo tiempo, este proceso también genera todas estas especies reactivas de oxígeno, que son perjudiciales para los errores. Estamos poniendo estas bacterias en un caparazón para que si alguna de estas especies oxidativas entra, esta primera defensa, la cáscara, los descompone ".

El traje está hecho de una malla MOF que envuelve las bacterias, cubriéndolo en parches. Usando estos trajes MOF, las bacterias viven cinco veces más a concentraciones normales de oxígeno (21 por ciento en volumen) que sin los trajes, y a menudo más que en su entorno natural, Dijo Yang. Su vida útil normal varía de semanas a meses, después de lo cual pueden eliminarse del sistema y reemplazarse con un lote nuevo.

En este experimento, los investigadores utilizaron una bacteria llamada Morella thermoacetica, que producen acetato (ácido acético, o vinagre), un precursor común en la industria química. Otra de sus bacterias de prueba, Sporomusa ovata, también produce acetato.

"Elegimos estas bacterias anaeróbicas porque su selectividad hacia un producto químico es siempre del 100 por ciento, ", dijo." En nuestro caso, elegimos un error que nos da acetato. Pero puedes seleccionar otro error para que te dé metano o alcohol ".

De hecho, las bacterias que fermentan el alcohol en la cerveza y el vino y convierten la leche en queso y yogur son anaeróbicas.

Mientras que los primeros experimentos de Yang con el sistema híbrido emparejaron bacterias con una cerda de nanocables de silicio, en 2016 descubrió que alimentar a las bacterias con cadmio las alentaba a decorarse con un semiconductor natural, sulfuro de cadmio, que actúa como un absorbente de luz eficiente que alimenta los electrones de las bacterias.

En el experimento actual, los investigadores tomaron bacterias decoradas con sulfuro de cadmio y las envolvieron con un capa de MOF de un nanómetro de espesor. Mientras que un MOF rígido interfirió con el proceso normal de crecimiento y división de las bacterias, un parche de MOF a base de circonio resultó ser lo suficientemente suave como para permitir que las bacterias se hincharan y dividieran mientras aún estaban vestidas con MOF, después de lo cual los nuevos MOF en la solución los volvieron a vestir.

"Puedes pensar en el MOF 2-D como una hoja de grafeno:una capa de una capa de espesor que cubre las bacterias, "dijo el coautor Omar Yaghi, un pionero de los MOF y la Cátedra James y Neeltje Tretter en el Departamento de Química. "El MOF 2-D está flotando en una solución con las bacterias, y a medida que las bacterias se replican, se cubren más con la capa 2-D MOF, por lo que protege a las bacterias del oxígeno ".

Yang y sus colegas también están trabajando para mejorar la eficiencia de captura de luz del sistema híbrido. transferencia de electrones y producción de compuestos específicos. Ellos prevén combinar estas capacidades optimizadas con nuevas vías metabólicas en estas bacterias para producir moléculas cada vez más complejas.

"Una vez que fija o activa el CO2, y esa es la parte más difícil, puede utilizar muchos enfoques químicos y biológicos existentes para convertirlos en combustibles, productos farmacéuticos y productos químicos básicos, " él dijo.