Assim como os trajes espaciais ajudam os astronautas a sobreviver em ambientes inóspitos, "trajes espaciais" recém-desenvolvidos para bactérias permitem que sobrevivam em ambientes que, de outra forma, as matariam.

Universidade da Califórnia, Berkeley, químicos desenvolveram os trajes de proteção para estender a vida útil das bactérias em um sistema exclusivo que emparelha bactérias vivas com semicondutores que absorvem luz para capturar dióxido de carbono e convertê-lo em produtos químicos que podem ser usados ​​pela indústria ou, algum dia, em colônias espaciais.

O sistema imita a fotossíntese nas plantas. Mas enquanto as plantas capturam dióxido de carbono e, com a energia da luz solar, convertê-lo em carboidratos que comemos com frequência, o sistema híbrido captura CO2 e luz para fazer uma variedade de compostos de carbono, dependendo do tipo de bactéria.

As bactérias usadas no experimento são anaeróbicas, o que significa que estão adaptados para viver em ambientes sem oxigênio. O traje - uma colcha de retalhos de peças em forma de malha chamada estrutura de metal orgânico, ou MOF - é impermeável ao oxigênio e às moléculas reativas de oxigênio, como peróxido, que encurtam sua vida útil.

O sistema híbrido pode ser uma vantagem para a indústria e o meio ambiente:ele pode capturar o dióxido de carbono emitido por usinas de energia e transformá-lo em produtos úteis. Ele também fornece uma maneira biológica de produzir produtos químicos necessários em ambientes artificiais, como espaçonaves e habitats em outros planetas.

"Estamos usando nosso biohíbrido para fixar o CO2 na fabricação de combustíveis, produtos farmacêuticos e químicos, e também a fixação de nitrogênio para fazer fertilizantes, "disse Peidong Yang, o S. K. e Angela Chan Distinguished Chair in Energy no Departamento de Química da UC Berkeley. "Se Matt Damon quiser cultivar batatas em Marte, ele precisa de fertilizante. "

Yang, um cientista do corpo docente do Lawrence Berkeley National Laboratory e um codiretor do Kavli Energy Nanoscience Institute, estava se referindo ao ator que interpretou o protagonista no filme O Marciano. O personagem de Damon foi abandonado em Marte e teve que usar seus próprios resíduos como fertilizante para cultivar batatas para a alimentação.

A pesquisa, financiado pela NASA por meio do Centro de Utilização de Engenharia Biológica no Espaço da UC Berkeley, será postado online esta semana antes da publicação no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences .

Um híbrido de bactérias e semicondutores

Yang e seus colegas desenvolveram o sistema bacteriano híbrido nos últimos cinco anos com base em seu trabalho em semicondutores que absorvem luz, como nanofios:fios sólidos de silício com algumas centenas de nanômetros de diâmetro, onde um nanômetro é um bilionésimo de um metro. Matrizes de nanofios podem ser usadas para capturar luz e gerar eletricidade, promissoras células solares baratas.

O sistema híbrido aproveita a captura de luz eficiente por semicondutores para alimentar as bactérias anaeróbias com elétrons, que normalmente retiram elétrons de seu ambiente para viver. O objetivo é aumentar a captura de carbono pelas bactérias para produzir compostos de carbono úteis.

"Estamos conectando esses bugs a um semicondutor que os sobrecarrega com elétrons, para que eles possam fazer mais química, "Yang disse." Mas, ao mesmo tempo, esse processo também gera todas essas espécies reativas de oxigênio, que são prejudiciais aos bugs. Estamos colocando essas bactérias em uma casca para que, se alguma dessas espécies oxidativas entrar, esta primeira defesa, A concha, os decompõe. "

O traje é feito de uma malha MOF que envolve as bactérias, cobrindo-o em remendos. Usando esses ternos MOF, as bactérias vivem cinco vezes mais em concentrações normais de oxigênio - 21 por cento em volume - do que sem os trajes, e muitas vezes mais do que em seu ambiente natural, Yang disse. Sua expectativa de vida normal varia de semanas a meses, depois disso, eles podem ser removidos do sistema e substituídos por um novo lote.

Neste experimento, os pesquisadores usaram uma bactéria chamada Morella thermoacetica, que produzem acetato (ácido acético, ou vinagre), um precursor comum na indústria química. Outra de suas bactérias de teste, Sporomusa ovata, também produz acetato.

"Escolhemos essas bactérias anaeróbias porque sua seletividade para um produto químico é sempre 100 por cento, "disse ele." No nosso caso, escolhemos um inseto que nos dá acetato. Mas você pode selecionar outro inseto para lhe dar metano ou álcool. "

Na verdade, as bactérias que fermentam o álcool da cerveja e do vinho e transformam o leite em queijo e iogurte são todas anaeróbicas.

Enquanto os primeiros experimentos de Yang com o sistema híbrido emparelhavam bactérias com uma cerda de nanofios de silício, em 2016 ele descobriu que alimentar as bactérias com cádmio as encorajava a se decorar com um semicondutor natural, sulfeto de cádmio, que atua como um absorvente de luz eficiente, alimentando os elétrons das bactérias.

No experimento atual, os pesquisadores pegaram bactérias decoradas com sulfeto de cádmio e as envolveram com uma capa flexível, camada de MOF com uma espessura de nanômetro. Embora um MOF rígido interferisse no processo normal de crescimento e divisão da bactéria, um adesivo de MOF à base de zircônio revelou-se macio o suficiente para permitir que as bactérias inchem e se dividam enquanto ainda revestido com MOF, depois disso, o novo MOF na solução os vestiu novamente.

"Você pode pensar no MOF 2-D como uma folha de grafeno:uma capa de uma camada de espessura que cobre as bactérias, "disse o co-autor Omar Yaghi, um pioneiro dos MOFs e da Cátedra James e Neeltje Tretter no Departamento de Química. "O MOF 2-D está flutuando em solução com a bactéria, e à medida que as bactérias se replicam, elas são ainda mais cobertas com a camada 2-D MOF, por isso, protege as bactérias do oxigênio. "

Yang e seus colegas também estão trabalhando para melhorar a eficiência do sistema híbrido de captura de luz, transferência de elétrons e produção de compostos específicos. Eles imaginam combinar esses recursos otimizados com novas vias metabólicas nessas bactérias para produzir moléculas cada vez mais complexas.

"Depois de fixar ou ativar o CO2 - e essa é a parte mais difícil - você pode usar muitas abordagens químicas e biológicas existentes para atualizá-las para combustíveis, produtos farmacêuticos e commodities químicas, " ele disse.