Notícia

Imagens mostram como micróbios alimentados com energia solar transformam CO2 em bioplástico

Fonte

Universidade Cornell

Data

terça-feira, 1 agosto 2023 16:55

Áreas

Biotecnologia. Energia. Materiais. Microbiologia. Nanotecnologia.

Ao considerar maneiras de gerar produtos ecologicamente corretos de forma sustentável, as bactérias podem não vir imediatamente à mente.

No entanto, nos últimos anos, cientistas criaram biohíbridos de micróbios e semicondutores que combinam o poder biossintético dos sistemas vivos com a capacidade dos semicondutores de coletar luz. Esses microrganismos usam energia solar para converter dióxido de carbono em produtos químicos de valor agregado, como bioplásticos e biocombustíveis. Mas como esse transporte de energia ocorre em um sistema tão pequeno e complexo, e se o processo pode ser melhorado, ainda não está claro.

Pesquisadores da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, desenvolveram uma plataforma multimodal para visualizar esses biohíbridos com resolução de célula única, para entender melhor como eles funcionam e como podem ser otimizados para uma conversão de energia mais eficiente.

Os resultados do estudo foram publicados na revista científica Nature Chemistry. Os coautores principais são a pesquisador de pós-doutorado Dra. Bing Fu e o ex-pesquisador de pós-doutorado Dr. Xianwen Mao.

O projeto foi liderado pelo Dr. Peng Chen, professor de Química em Cornell. O esforço é um desdobramento de uma colaboração maior – com o Dr. Tobias Hanrath, professor de Engenharia Química e Biomolecular da Escola de Engenharia de Cornell, e com o Dr. Buz Barstow, professor de Engenharia Biológica e Ambiental também de Cornell – que foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) para explorar imagens microscópicas de micróbios como uma forma de avançar na pesquisa de bioenergia.

A pesquisa biohíbrida tem sido normalmente conduzida com bactérias em massa – essencialmente uma grande quantidade de células, disse o professor Peng Chen – enfatizando o rendimento geral dos produtos químicos de valor agregado e os comportamentos coletivos das células, em vez do mecanismo subjacente que permite uma transformação química complexa.

“A biologia é muito heterogênea. As células individuais são muito diferentes. (…) É aqui que entramos. Fornecemos avaliações quantitativas do comportamento das proteínas e também uma compreensão mecanicista de como ocorre o transporte de elétrons do semicondutor para a célula bacteriana”, explicou o professor.

A nova plataforma combinou imagens de fluorescência multicanal com mapeamento de corrente fotoeletroquímica para pesquisar a bactéria Ralstonia eutropha. A plataforma foi capaz de visualizar, rastrear e quantificar simultaneamente várias proteínas na célula, além de medir o fluxo de elétrons, correlacionando as propriedades das proteínas celulares e os processos de transporte de elétrons.

Os pesquisadores diferenciaram com sucesso os papéis funcionais de dois tipos de hidrogenases – uma ligada à membrana da célula e outra solúvel no citoplasma – que ajudam a metabolizar o hidrogênio e direcionar a fixação do CO₂. Embora a hidrogenase solúvel seja conhecida por ser crítica para metabolizar o hidrogênio, os pesquisadores descobriram que a hidrogenase ligada à membrana, embora menos importante, na verdade facilita o processo e o torna mais eficiente.

Além disso, os pesquisadores obtiveram a primeira evidência experimental de que a bactéria pode absorver uma grande quantidade de elétrons de fotocatalisadores semicondutores. A equipe mediu a corrente de elétrons e descobriu que era três ordens de magnitude maior do que os cientistas pensavam anteriormente, o que sugere que futuras cepas de bactérias podem ser projetadas para melhorar a eficiência da conversão de energia.

Os pesquisadores também descobriram que as hidrogenases solúveis e ligadas à membrana desempenham um papel importante na mediação do transporte de elétrons do semicondutor para a célula. Enquanto isso, a célula não só pode aceitar elétrons: também pode envia-los na direção oposta, sem a ajuda de hidrogenases.

A plataforma de imagem é generalizável o suficiente para ser usada no estudo de outros sistemas biológicos-inorgânicos, incluindo leveduras, e para outros processos, como fixação de nitrogênio e remoção de poluentes.

“Nossa plataforma de imagem multimodal é poderosa, mas é claro que tem seus próprios limites. Podemos imaginar e estudar proteínas, mas nossa abordagem não nos permite analisar composições de moléculas pequenas. E então pode-se pensar em integrar ainda mais nossa abordagem com outras técnicas – por exemplo, espectrometria de massa em nanoescala – para que seja realmente poderosa. Ainda não chegamos lá”, concluiu o Dr. Peng Chen.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Cornell (em inglês).

Fonte: David Nutt, Cornell Chronicle, Universidade Cornell. Imagem:  microscopia eletrônica de varredura mostra células da bactéria Ralstonia eutropha sobre um semicondutor de vanadato de bismuto. Fonte: Divulgação, Universidade Cornell.