Nanopartículas de cobre (Cu-NPs) têm uma ampla gama de aplicações como catalisadores, em campos científicos tão diversos como descoberta de drogas e ciência de materiais. A abundância natural de cobre, e seu custo relativamente baixo, torna-o uma alternativa viável para catalisadores feitos de metais preciosos raros e caros, como platina e paládio. Contudo, a síntese de Cu-NPs geralmente envolve altas temperaturas e solventes tóxicos. Adicionalmente, Cu-NPs produzidos por meio de síntese convencional tendem a aglomerar e oxidar, e requerem o uso de produtos químicos inorgânicos para manter sua atividade catalítica. Nova pesquisa, publicado em Pequena , detalha experimentos de prova de conceito demonstrando que a bactéria redutora de metais Shewanella oneidensis oferece uma rota mais ecológica para a síntese de Cu-NP, e o potencial para recuperar cobre de fluxos de águas residuais.

Biossíntese bacteriana de Cu-NPs

Se pudermos controlar o metabolismo das bactérias redutoras de metal, isso nos dá um caminho mais barato, síntese de nanopartículas simples e ambientalmente benigna. Este é o primeiro estudo a investigar a biorredução de íons de cobre (II) solúveis e a síntese de Cu-NPs usando bactérias redutoras de metais anaeróbicos, organismos que existem naturalmente em sedimentos anaeróbicos, e ganhe energia transferindo elétrons da matéria orgânica para os metais nos sedimentos. Shewanella oneidensis é uma das espécies mais versáteis e bem estudadas de bactérias redutoras de metais, capaz de reduzir uma ampla gama de metais em condições de laboratório. Foi isolado pela primeira vez em 1988, pelo professor Ken Nealson, de sedimentos no Lago Oneida em Nova York (de onde vem seu nome). Foi escolhido para esses experimentos devido à sua versatilidade como redutor de metal e ter todo o seu genoma sequenciado. A disponibilidade resultante de cepas mutantes permite a investigação da via envolvida na redução de metal (por exemplo, as enzimas envolvidas). Identificar a via de transferência de elétrons envolvida na redução de Cu pode levar a melhorias de eficiência no futuro. Os resultados demonstram que é possível usar Shewanella oneidensis para a biorredução de íons cobre (II), formando nanopartículas elementares de Cu (0), o que por si só é surpreendente, pois muitas formas de cobre são conhecidas por serem tóxicas, sendo usado como desinfetante e fungicida, e foi investigado para uso em superfícies antimicrobianas.

Este novo processo marca todas as caixas para 'síntese verde', uma vez que é capaz de produzir Cu-NPs à temperatura ambiente, na água. Além disso, durante os testes de catálise, os Cu-NPs não foram separados da biomassa, e a bactéria atuou como uma matriz de suporte para as nanopartículas - removendo a necessidade de aditivos inorgânicos e tornando os Cu-NPs mais reativos. Finalmente, o catalisador pode ser facilmente filtrado usando uma centrífuga, permitindo que seja reutilizado.

Os experimentos financiados pelo NERC usaram a espectroscopia de absorção de raios X próxima à borda (XANES) e a análise de espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios X estendida (EXAFS) em B18 (uma linha de luz XAS de uso geral) para mostrar que as nanopartículas produzidas são de cobre , e identificar seu estado de oxidação. As medições XAS de raio-x suave foram feitas usando a linha de luz I10 da Diamond. Essas investigações iniciais usaram sais de metal, mas a equipe de pesquisa está examinando o uso de fluxos de águas residuais industriais. Para o autor principal, Dr. Richard Kimber, da Escola de Ciências da Terra e Ambientais da Universidade de Manchester, este é o objetivo final do projeto. Ele diz, “É importante recuperar metais de águas residuais, para evitar que contaminem o meio ambiente. O que estamos vendo aqui é uma maneira de criar produtos de alto valor a partir do tratamento de resíduos, para que se pague. "

Trabalhos futuros também investigarão maneiras de otimizar o sistema, incluindo a determinação dos tempos de reação ideais e carregamento de Cu-NP, para melhorar os rendimentos. Também há trabalho a ser feito para entender o caminho que a bactéria usa para reduzir o cobre. Normalmente, as bactérias redutoras de metais usam metais comuns (como o ferro) para a respiração. Os resultados iniciais sugerem que este não é o caso para Shewanella oneidensis e cobre, talvez sem surpresa, dada a natureza tóxica do metal. A via de transferência de elétrons pode ser parte dos mecanismos de desintoxicação / defesa da bactéria, mas mais trabalho precisa ser feito. Uma compreensão do caminho tornaria mais fácil aumentar a produção de Cu-NPs produzidos, bem como, potencialmente, ajustar suas propriedades. Com isso em mente, a equipe de pesquisa sediada em Manchester está ansiosa para usar os avanços mais recentes em biologia sintética para fazer a próxima geração de catalisadores para a indústria. O professor Jon Lloyd, que lidera a pesquisa nesta área (ao lado de colegas do Instituto de Biotecnologia de Manchester), observa que "este novo estudo nos dá um novo tipo de nanocatalisador metálico que esperamos seja muito útil para a indústria química, e estamos muito interessados ​​em estender a utilidade desta abordagem por meio da incorporação de materiais catalíticos adicionais (enzimas e outras nanopartículas metálicas) nas células hospedeiras que usamos para este estudo. Este trabalho constitui a base de um novo projeto BBSRC para a equipe. "