Al considerar formas de generar de forma sostenible productos respetuosos con el medio ambiente, es posible que las bacterias no se le ocurran de inmediato.
por David Nutt, Universidad de Cornell
Sin embargo, en los últimos años, los científicos han creado biohíbridos de microbios y semiconductores que fusionan el poder biosintético de los sistemas vivos con la capacidad de los semiconductores para recolectar luz. Estos microorganismos utilizan la energía solar para convertir el dióxido de carbono en productos químicos de valor agregado, como bioplásticos y biocombustibles. Pero aún no está claro cómo se produce ese transporte de energía en un sistema tan pequeño y complejo, y si el proceso puede mejorarse.
Los investigadores de Cornell han desarrollado una plataforma multimodal para obtener imágenes de estos biohíbridos con resolución de una sola célula , para comprender mejor cómo funcionan y cómo pueden optimizarse para una conversión de energía más eficiente.
El artículo del equipo, ‘Imágenes multimodales de una sola célula descubre vías de conversión de energía en biohíbridos’, se publica en Nature Chemistry . Los coautores principales son el investigador postdoctoral Bing Fu y el ex investigador postdoctoral Xianwen Mao.
El proyecto fue dirigido por Peng Chen, profesor de química Peter JW Debye en la Facultad de Artes y Ciencias. El esfuerzo es una rama de una colaboración más grande con Tobias Hanrath, profesor de la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular en Cornell Engineering, y Buz Barstow, Ph.D. ’09, profesor asistente de ingeniería biológica y ambiental en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida.
La investigación biohíbrida generalmente se ha realizado con bacterias a granel, esencialmente una gran cantidad de células en un balde, dijo Peng, enfatizando el rendimiento general de los productos químicos de valor agregado y los comportamientos colectivos de las células, en lugar del mecanismo subyacente que permite el transformación química compleja.
«La biología es muy heterogénea. Las células individuales son muy diferentes. Ahora, para interrogarla mejor, realmente necesitas medirla a nivel de una sola célula», dijo Chen. «Aquí es donde entramos nosotros. Brindamos evaluaciones cuantitativas de los comportamientos de las proteínas y también una comprensión mecánica de cómo se produce el transporte de electrones desde el semiconductor hasta la célula bacteriana».
La nueva plataforma combinó imágenes de fluorescencia multicanal con mapeo de corriente fotoelectroquímica para estudiar la bacteria Ralstonia eutropha. La plataforma fue capaz de generar imágenes, rastrear y cuantificar simultáneamente múltiples proteínas en la célula al tiempo que midió el flujo de electrones, lo que finalmente correlacionó las propiedades de las proteínas celulares y los procesos de transporte de electrones.
Los investigadores diferenciaron con éxito las funciones funcionales de dos tipos de hidrogenasas, una unida a la membrana celular y otra soluble en el citoplasma, que ayudan a metabolizar el hidrógeno e impulsar la fijación de CO2 . Si bien se sabe que la hidrogenasa soluble es fundamental para metabolizar el hidrógeno, los investigadores descubrieron que la hidrogenasa unida a la membrana, aunque menos importante, en realidad facilita el proceso y lo hace más eficiente.
Además, los investigadores obtuvieron la primera evidencia experimental de que las bacterias pueden absorber una gran cantidad de electrones de los fotocatalizadores de semiconductores. El equipo midió la corriente de electrones y descubrió que era tres órdenes de magnitud mayor de lo que los científicos pensaban anteriormente, lo que sugiere que las futuras cepas de bacterias podrían diseñarse para mejorar la eficiencia de la conversión de energía.
Los investigadores también descubrieron que las hidrogenasas solubles y unidas a la membrana desempeñan un papel importante en la mediación del transporte de electrones desde el semiconductor hasta la célula. Mientras tanto, la célula no solo puede aceptar electrones; también puede escupirlos en la dirección opuesta, sin la ayuda de hidrogenasas.
La plataforma de imágenes es lo suficientemente generalizable como para que pueda usarse para estudiar otros sistemas biológicos e inorgánicos, incluida la levadura, y para otros procesos, como la fijación de nitrógeno y la eliminación de contaminantes.
«Nuestra plataforma de imágenes multimodales es poderosa, pero por supuesto tiene sus propios límites», dijo Chen. «Podemos obtener imágenes y estudiar proteínas, pero nuestro enfoque no nos permite analizar composiciones de moléculas pequeñas. Entonces, uno puede pensar en integrar aún más nuestro enfoque con otras técnicas, por ejemplo, espectrometría de masas a nanoescala, por lo que sería realmente poderoso. Nosotros Todavía no estás allí».
Más información: Fu, B. et al. Las imágenes multimodales de una sola célula descubren vías de conversión de energía en biohíbridos, Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01285-z . www.nature.com/articles/s41557-023-01285-z
