L'immobilisation est considérée comme une stratégie réalisable pour lutter contre la toxicité et la pollution des nanomatériaux face aux nano-catalyseurs dans des applications pratiques. Une équipe de recherche de l'Université de ShanghaiTech a récolté des produits génétiquement modifiés Escherichia coli biofilms comme substrats vivants pour immobiliser des catalyseurs à l'échelle nanométrique. La matrice de biofilm fournit une interface bénigne et robuste entre les nano-catalyseurs et les cellules vivantes, sur laquelle trois systèmes de réaction catalytique accordables et recyclables ont été démontrés.

Les objets à l'échelle nanométrique (1 à 100 nm) sont des nano-catalyseurs souhaitables dotés d'un plus grand nombre de sites actifs catalytiques en raison de rapports surface/volume plus élevés. La nature à l'échelle nanométrique présente plusieurs défis associés tels que la fuite de nano-catalyseurs dans l'environnement ambiant et des difficultés à réutiliser les nanocatalyseurs au cours de cycles de réaction répétés. Une stratégie majeure pour relever ces défis a été l'immobilisation de nano-objets sur divers substrats via une variété d'approches technologiques. Cependant, les substrats inorganiques et bio-dérivés ou bio-inspirés manquent manifestement d'attributs « uniquement en biologie » comme l'auto-régénération, évolutivité basée sur la croissance cellulaire, et la capacité des cellules à biosynthétiser des enzymes complexes, substrats, co-enzymes, ou d'autres réactifs ou composants de réaction requis in situ. De plus, des études qui ont immobilisé des nano-objets directement sur les surfaces cellulaires ont signalé des dommages aux cellules.

Le groupe Zhong de la Division Matériaux et Biologie Physique, à l'Université de ShanghaiTech a fait une avancée conceptuelle majeure dans le développement d'une nouvelle interface abiotique/biotique vers l'intégration et l'immobilisation d'objets à l'échelle nanométrique avec des cellules vivantes pour la catalyse. Très brièvement, ils ont montré avec succès comment les monomères amyloïdes s'exprimaient, sécrétée et assemblée dans la matrice extracellulaire du vivant Escherichia coli ( E. coli ) les biofilms peuvent être exploités pour ancrer des catalyseurs fonctionnels à l'échelle nanométrique afin de les rendre très efficaces, évolutif, accordable, et des systèmes de catalyseurs vivants réutilisables. Dans leurs études de preuve de concept, ils ont démontré trois systèmes catalytiques simples, incluant des nanoparticules d'or ancrées dans un biofilm pour dégrader le polluant p-nitrophénol, Cd hybride ancré dans un biofilm 0,9 Zn 0,1 Points quantiques S (QD) et nanoparticules d'or pour dégrader efficacement les colorants organiques, et des QD CdSeS@ZnS ancrés dans un biofilm dans un système de photosynthèse semi-artificiel à double souche bactérienne pour la production d'hydrogène. Comme le révèlent leurs études, la matrice extracellulaire des biofilms offre en effet un milieu idéal pour l'interfaçage et l'ancrage des nano-objets pour la catalyse directe et pour leur intégration au métabolisme des cellules vivantes :même après de multiples cycles de réactions, les nano-catalyseurs étaient encore solidement ancrés aux biofilms et le E. coli les cellules étaient encore en vie pour une régénération facile. Surtout, une telle approche ouvrirait les attributs extrêmement puissants et uniques des systèmes vivants.

Il existe une grande diversité de biofilms bactériens avec des fonctionnalités différentes dans la nature, et leur étude jette ainsi les bases conceptuelles pour coupler les propriétés et capacités dynamiques uniques de ces matériaux vivants avec les nanoparticules hautement réactives pour résoudre de manière innovante les défis de la bioremédiation, bioconversion, et de l'énergie. Leurs recherches stimuleront d'autres recherches pour créer des systèmes de réaction plus efficaces et plus importants sur le plan industriel en construisant et en intégrant des biofilms/systèmes catalytiques hybrides inorganiques plus complexes.