'太空服'保护注定要生活在太空中的微生物

正如宇航员帮助宇航员在荒凉的环境中生存一样，新开发的细菌“太空服”使他们能够在可能会杀死它们的环境中生存。

加利福尼亚大学伯克利分校的化学家开发了一种保护套装，以延长细菌的寿命，将一种活细菌与吸收光的半导体配对，以捕获二氧化碳，并将其转化为可供工业使用的化学品，或者有一天，在太空殖民地。

该系统模拟植物的光合作用。但是，尽管植物捕获二氧化碳，并与来自太阳光的能量，将其转化为碳水化合物，我们往往吃，混合系统捕获CO2和光使各种碳化合物，这取决于细菌的种类。

实验中使用的细菌是厌氧的，这意味着它们适合生活在没有氧气的环境中。这种西装 - 一种称为金属有机骨架(MOF)的网状片状拼凑而成的氧气和活性氧分子(如过氧化物)不可渗透，缩短了它们的寿命。

混合动力系统可以为工业和环境带来双赢：它可以捕获发电厂排放的二氧化碳并将其转化为有用的产品。它还提供了一种生物方式，可以在人造环境中生产所需的化学物质，如太空飞船和其他星球上的栖息地。

“我们正在利用我们的biohybrid固定CO2，使燃料，药品和化学品，还固氮做肥料，”杨培东，在能源的SK和安吉拉陈特聘讲座在化学加州大学伯克利分校的部门。“如果马特达蒙想要在火星上种植土豆，他需要肥料。”

杨，劳伦斯伯克利国家实验室的教师科学家和卡夫利能源纳米科学研究所的联合主任，指的是在电影“火星人”中饰演主角的演员。达蒙的性格在火星上被淹没，不得不用自己的废物作为肥料来种植土豆作为食物。

该研究由美国宇航局通过加州大学伯克利分校空间生物工程利用中心资助，本周将在“美国国家科学院院刊”上发表。

细菌和半导体的混合体

Yang和他的同事们在过去五年中开发了混合细菌系统，这是基于他们对纳米线等光吸收半导体的研究：硅的实心线几百纳米，纳米是十亿分之一米。纳米线阵列可用于捕获光并发电，承诺廉价的太阳能电池。

混合系统利用半导体的有效光捕获来将电子馈送到厌氧细菌，厌氧细菌通常从其环境中清除电子以生存。目标是通过细菌促进碳捕获，以生产出有用的碳化合物。

“我们正在将这些漏洞与一个用电子压倒它们的半导体接口，因此它们可以做更多的化学反应，”杨说。“但与此同时，这个过程也会产生所有这些对臭虫有害的活性氧。我们将这些细菌放入壳中，这样如果这些氧化物质中的任何一个进入，这个第一道防御壳会分解他们。”

该套装由MOF网制成，包裹着细菌，覆盖在斑块中。杨说，穿着这些MOF套装，在没有套装的情况下，细菌在正常氧气浓度下的寿命要长5倍 - 体积比没有套装，并且通常比在自然环境中长。它们的正常寿命从几周到几个月不等，之后可以从系统中冲洗并用新批次替换。

在这个实验中，研究人员使用了名为Morella thermoacetica的细菌，它产生醋酸盐(醋酸或醋)，这是化学工业中常见的前体。另一种测试细菌Sporomusa ovata也产生醋酸盐。

“我们挑选了这些厌氧菌，因为它们对一种化学产品的选择性总是100%，”他说。“在我们的案例中，我们挑选了一种给我们醋酸盐的虫子。但你可以选择另一种虫子给你甲烷或酒精。”

事实上，在啤酒和葡萄酒中发酵酒精并将牛奶变成奶酪和酸奶的细菌都是无氧的。

虽然杨的第一次使用混合系统的实验将细菌与硅纳米线的鬃毛配对，但在2016年，他发现喂食细菌镉促使他们用天然半导体硫化镉装饰自己，这是一种有效的光吸收剂，可以提供细菌电子。

在目前的实验中，研究人员采用装饰有硫化镉的细菌，并用一层柔韧的1纳米厚的MOF覆盖它们。虽然刚性MOF干扰了细菌正常的生长和分裂过程，但是锆基MOF贴剂结果足够柔软，允许细菌在仍然使用MOF时膨胀和分裂，之后溶液中的新MOF重新出现。给他们穿上衣服。

“您可以将2D MOF视为一片石墨烯：覆盖细菌的一层厚厚的斗篷，”合着者Omar Yaghi，MOF的先驱和化学系的James和Neeltje Tretter主席说。 。“2D MOF与细菌一起漂浮在溶液中，随着细菌复制，它们被2D MOF层进一步覆盖，因此它可以保护细菌免受氧气的侵害。”

Yang和他的同事们还致力于提高混合系统的光捕获，电子转移和特定化合物生产的效率。他们设想将这些优化的能力与这些细菌中的新代谢途径相结合，以产生更复杂的分子。

“一旦你解决或激活CO2-这是最困难的部分-你可以使用许多现有的化学和生物的方法来将其升级为燃料，药品和大宗化学品，”他说。

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