Sürdürülebilir bir şekilde çevre dostu ürünler üretmenin yolları düşünüldüğünde, bakteriler hemen akla gelmeyebilir.
Ancak son yıllarda bilim insanları, canlı sistemlerin biyosentetik gücü ile yarı iletkenlerin ışık toplama yeteneğini birleştiren mikrobiyal yarı iletken biyohibridler yarattılar. Bu mikroorganizmalar güneş enerjisini kullanarak karbondioksiti biyoplastik ve biyoyakıt gibi katma değerli kimyasal ürünlere dönüştürüyor. Ancak bu enerji aktarımının böylesine küçük ve karmaşık bir sistemde nasıl gerçekleştiği ve sürecin iyileştirilip iyileştirilemeyeceği hala belirsizliğini koruyor.
Cornell araştırmacıları, nasıl işlediklerini ve daha verimli enerji dönüşümü için nasıl optimize edilebileceklerini daha iyi anlamak amacıyla bu biyohibridleri tek hücre çözünürlüğünde görüntülemek için çok modlu bir platform geliştirdiler.
Ekibin “Single-Cell Multimodal Imaging Uncovers Energy Conversion Pathways in Biohybrids” başlıklı makalesi Nature Chemistry‘de yayımlandı. Makalenin eş başyazarları post doktora araştırmacı Bing Fu ve eski post doktora araştırmacı Xianwen Mao’dur.
Proje, Sanat ve Bilim Fakültesi’nde Peter J.W. Debye Kimya Profesörü olan Peng Chen tarafından yürütülmüştür. Bu çaba, Cornell Mühendislik Smith Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik Okulu’nda Profesör olan Tobias Hanrath ve Ziraat ve Yaşam Bilimleri Fakültesi’nde Biyoloji ve Çevre Mühendisliği Yardımcı Doçenti olan Buz Barstow ile daha büyük bir işbirliğinin ürünüdür.
Biyohibrit araştırmaları tipik olarak toplu halde bakterilerle yani bir kovada çok sayıda hücreyle yürütülmüştür. Peng sai, karmaşık kimyasal dönüşümü sağlayan altta yatan mekanizmadan ziyade, katma değerli kimyasalların genel verimini ve hücrelerin kolektif davranışlarını vurgulamaktadır.
Chen “Biyoloji çok heterojendir. Tekil olarak hücreler çok farklıdır. Şimdi, bunu daha iyi sorgulayabilmek için gerçekten tek hücre düzeyinde ölçüm yapmanız gerekiyor,” dedi. “İşte biz burada devreye giriyoruz. Protein davranışlarının nicel değerlendirmelerini ve ayrıca elektron taşınımının yarı iletkenden bakteri hücresine nasıl gerçekleştiğine dair mekanik bir anlayış sağlıyoruz.”
Yeni platform, Ralstonia eutropha bakterisini incelemek için çok kanallı floresan görüntülemeyi fotoelektrokimyasal akım haritalama ile birleştirdi. Platform, hücredeki birden fazla proteini eşzamanlı olarak görüntüleyebildi, izleyebildi ve ölçebildi; aynı zamanda elektron akışını ölçerek hücresel protein özelliklerini ve elektron taşıma süreçlerini ilişkilendirdi.
Araştırmacılar, hidrojeni metabolize etmeye ve CO2 fiksasyonunu sağlamaya yardımcı olan, biri hücre membranına bağlı, diğeri sitoplazmada çözünebilir olmak üzere iki tip hidrojenazın işlevsel rollerini başarılı bir şekilde ayırt etti. Çözünebilir hidrojenazın hidrojeni metabolize etmek için kritik olduğu bilinirken, araştırmacılar membrana bağlı hidrojenazın daha az önemli olmasına rağmen aslında süreci kolaylaştırdığını ve daha verimli hale getirdiğini buldular.
Ayrıca araştırmacılar, bakterilerin yarı iletken fotokatalizörlerden büyük miktarda elektron alabildiğine dair ilk deneysel kanıtı elde etti. Ekip elektron akımını ölçtü ve bilim insanlarının daha önce düşündüğünden üç kat daha büyük olduğunu tespit etti. Bu da gelecekteki bakteri türlerinin enerji dönüşümünün verimliliğini artırmak için tasarlanabileceğini gösteriyor.
Araştırmacılar ayrıca membrana bağlı ve çözünür hidrojenazların yarı iletkenden hücreye elektron taşınmasına aracılık etmede önemli bir rol oynadığını keşfetti.
Bu arada, hücre sadece elektronları kabul etmekle kalmıyor. Hidrojenazların yardımı olmadan onları ters yönde de dışarı atabiliyor.
Görüntüleme platformu, maya da dahil olmak üzere diğer biyolojik-inorganik sistemleri, azot fiksasyonu ve kirletici giderimi gibi diğer süreçleri incelemek için kullanılabilecek kadar genelleştirilebilir.
Chen, “Multimodal görüntüleme platformumuz güçlü ancak elbette kendi sınırları var” dedi. “Proteinleri görüntüleyebilir ve inceleyebiliriz ancak yaklaşımımız küçük molekül bileşimlerini analiz etmemize izin vermiyor. Bu nedenle yaklaşımımızı diğer tekniklerle (örneğin nano ölçekli kütle spektrometrisi) daha fazla entegre etmeyi düşünebiliriz. Böylece gerçekten güçlü olacaktır. Henüz o noktada değiliz.” [1]Imaging shows how solar-powered microbes turn carbon dioxide into bioplastic
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Imaging shows how solar-powered microbes turn carbon dioxide into bioplastic |
|---|
