Fig. 1. Schéma des interfaces bio-abiotiques vivantes pour une enzyme unique à la photo-catalyse de cellules entières. Crédit :SIAT
La photosynthèse semi-artificielle intègre la haute sélectivité des biosystèmes vivants et la collecte de lumière à large spectre des matériaux semi-conducteurs, ce qui permet une production chimique durable basée sur la lumière. Les interfaces bio-abiotiques entre les cellules vivantes et les semi-conducteurs sont la clé de la photosynthèse semi-artificielle.
Par immobilisation de la membrane cellulaire ou absorption intracellulaire de semi-conducteurs, fixation du CO2 par la lumière aux produits chimiques de base a été atteint. Alors que le contact direct altérerait les cellules vivantes, ce qui entraverait leur durabilité.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Zhong Chao du Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) de l'Académie chinoise des sciences a proposé l'utilisation de biofilms photocatalyseurs minéralisés comme interfaces bio-abiotiques vivantes pour mettre en œuvre diverses applications photocatalytiques.
La recherche a été publiée dans Science Advances le 7 mai.
Les biofilms sont des consortiums naturels intégrés dans une matrice extracellulaire visqueuse. En raison de leur résistance supérieure aux contraintes environnementales externes, les biofilms ont été adoptés pour la conception de matériaux vivants artificiels (ELM) avec des applications dans l'adhérence sous-marine, l'immobilisation de catalyseurs et la thérapie médicale.
Les chercheurs ont adopté des biofilms d'E. coli avec des fibres curli amyloïdes. Les peptides A7 ont d'abord été fusionnés à la protéine CsgA de la sous-unité curli pour créer des nanofibres CsgAA7. Il a doté les biofilms d'une capacité de minéralisation in situ de nanoparticules de CdS (NPs).
Fig. 2. Caractérisation de biofilms photocatalyseurs minéralisés. Crédit :SIAT
Les biofilms photocatalyseurs minéralisés ont été obtenus et directement utilisés dans des applications photocatalytiques après culture. Grâce à la ségrégation des NP CdS des cellules bactériennes, le système pourrait conserver la propriété catalytique et atténuer l'altération.
Pour démontrer la résistance des biofilms, les chercheurs ont construit une autre souche pour afficher les peptides A7 sur les membranes cellulaires, ce qui a permis la minéralisation des NP CdS sur les membranes cellulaires. Les cellules bactériennes minéralisées par le photocatalyseur ont été utilisées comme témoins. Après irradiation pendant 24 heures, les cellules des biofilms photocatalyseurs minéralisés étaient presque intégrales, tandis que les témoins présentaient des dommages partiels ou même des fractures.
Fig. 3. L'effet protecteur des biofilms artificiels. Crédit :SIAT
"Les résultats ont indiqué une interface bio-abiotique biocompatible par des biofilms minéralisés", a déclaré le professeur Zhong, l'auteur correspondant de l'étude, "cela pourrait favoriser la durabilité de la photosynthèse semi-artificielle en principe".
Comparés aux cellules planctoniques, les biofilms présentaient une plus grande surface, une plus grande résistance à l'environnement et une fonctionnalisation plus facile, ce qui en faisait un châssis supérieur pour la conception de la photosynthèse semi-artificielle.
"La photosynthèse semi-artificielle a le potentiel de résoudre les futurs problèmes énergétiques et environnementaux", a déclaré le professeur Zhong. Les biofilms bactériens artificiels immobilisant les nanoparticules permettent diverses applications catalytiques
