Parallele in Colorado
Auch in Boulder haben Forscher sogenannte Nanobio-Hybrid-Organismen entwickelt, die in der Lage sind, Kohlendioxid aus der Luft und Stickstoff zur Herstellung von Kunst- und Kraftstoffen zu verwenden, ein vielversprechender erster Schritt in Richtung kostengünstiger Kohlenstoffabscheidung und umweltfreundlicher Herstellung von Chemikalien. Durch die Verwendung von lichtaktivierten Quantenpunkten zum Verbrennen bestimmter Enzyme in mikrobiellen Zellen konnten die Forscher „lebende Fabriken“ schaffen, die CO2 fressen und in nützliche Produkte wie biologisch abbaubaren Kunststoff, Benzin, Ammoniak und Biodiesel umwandeln.
„Die Innovation ist ein Beweis für die Leistungsfähigkeit biochemischer Prozesse“, sagt Prashant Nagpal, Hauptautor der Forschung und Assistenzprofessor an der Abteilung für Chemie und Biologie von CU Boulder. „Wir prüfen eine Technik, die die CO2-Abscheidung verbessern könnte, um den Klimawandel zu bekämpfen und eines Tages sogar die kohlenstoffintensive Herstellung von Kunststoffen und Kraftstoffen zu ersetzen.“
Das Projekt begann 2013, als Nagpal und seine Kollegen anfingen, das breite Potenzial der nanoskopischen Quantenpunkte zu erforschen, die winzige Halbleiter sind, die denen von Fernsehgeräten ähnlich sind. Quantenpunkte können passiv in Zellen injiziert werden und sind so konzipiert, dass sie sich an die gewünschten Enzyme binden und selbst zusammensetzen und diese Enzyme dann auf Befehl mit bestimmten Lichtwellenlängen aktivieren.
Nagpal wollte sehen, ob Quantenpunkte als „Zündkerze“ dienen können, um bestimmte Enzyme in mikrobiellen Zellen zu verbrennen, die CO2 und Stickstoff aus der Luft umwandeln können, das aber aufgrund mangelnder Photosynthese nicht auf natürliche Weise tun. Durch die Diffusion der speziell zugeschnittenen Punkte in die Zellen der gängigen mikrobiellen Arten im Boden schlossen Nagpal und seine Kollegen die Lücke. Jetzt würde die Exposition gegenüber selbst kleinen Mengen indirektem Sonnenlicht den CO2-Appetit der Mikroben aktivieren, ohne dass Energie- oder Nahrungsquellen für die energieintensiven biochemischen Umwandlungen benötigt werden. „Jede Zelle produziert Millionen dieser Chemikalien und wir haben gezeigt, dass sie ihren natürlichen Ertrag um fast 200% übertreffen können“, so Nagpal.
Die im Wasser schlummernden Mikroben geben ihr entstandenes Produkt an die Oberfläche ab, wo es abgeschöpft und für die Herstellung geerntet werden kann. Verschiedene Kombinationen von Punkten und Licht ergeben unterschiedliche Produkte: Grüne Wellenlängen bewirken, dass die Bakterien Stickstoff aufnehmen und Ammoniak produzieren, während röte Wellenlängen die Mikroben dazu bringen, sich an CO2 zu „ergötzen“, um stattdessen Kunststoff zu produzieren.
Der Prozess zeigt auch vielversprechende Anzeichen dafür, dass er in der Lage ist, im Massenmaßstab zu arbeiten. Die Studie ergab, dass selbst wenn die mikrobiellen Fabriken stundenlang konsequent aktiviert wurden, nur wenige Anzeichen von Erschöpfung oder Verschleiß zeigten, was darauf hindeutet, dass sich die Zellen regenerieren können und somit die Notwendigkeit einer Rotation einschränken. Prashant Nagpal et. al. haben den Prozess im Journal of the American Chemical Society publiziert.
->Quellen:
- cornell.edu/engineered-bacteria-could-be-missing-link-energy-storage
- Farshid Salimijazi, Erika Parra and Buz Barstow: „Electrical energy storage with engineered biological systems“ – in: Journal of Biological Engineering 2019, https://doi.org/10.1186/s13036-019-0162-7 – jbioleng.biomedcentral.com/s13036-019-0162-7
- colorado.edu/these-nano-bugs-eat-co2-and-make-eco-friendly-fuel
- Yuchen Ding, John R. Bertram, Carrie Eckert, Rajesh Reddy Bommareddy, Rajan Patel, Alex Conradie, Samantha Bryan, Prashant Nagpal: Nanorg microbial factories: Light-driven renewable biochemical synthesis using quantum dot-bacteria nano-biohybrids, in:J. Am. Chem. Soc.2019, https://doi.org/10.1021/jacs.9b02549
- pubs.acs.org/jacs.9b02549#notes1