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Ao considerar maneiras de gerar produtos ecologicamente corretos de forma sustentável, as bactérias podem não vir imediatamente à mente.
No entanto, nos últimos anos, os cientistas criaram bio-híbridos semicondutores micróbios que combinam o poder biossintético dos sistemas vivos com a capacidade dos semicondutores de coletar luz. Esses microorganismos 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 Cornell University 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.
O artigo da equipe, “Single-Cell Multimodal Imaging Uncovers Energy Conversion Pathways in Biohybrids”, publicado em 27 de julho na Química da Natureza. Os co-autores principais são o pesquisador de pós-doutorado Bing Fu e o ex-pesquisador de pós-doutorado Xianwen Mao.
O projeto foi liderado por Peng Chen, professor de química na Faculdade de Artes e Ciências. O esforço é um desdobramento de uma colaboração maior – com Tobias Hanrath, professor da Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering em Cornell Engineering, e Buz Barstow, professor assistente de engenharia biológica e ambiental na College of Agriculture and Life Sciences – 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 em um balde, disse Peng – enfatizando o rendimento geral dos produtos químicos de valor agregado e os comportamentos coletivos das células, em vez do mecanismo subjacente que permite a transformação química complexa.
“A biologia é muito heterogênea. As células individuais são muito diferentes. Agora, para interrogá-la melhor, você realmente precisa medi-la no nível de uma única célula”, disse Chen. “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”.
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 de 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 captar uma grande quantidade de elétrons de fotocatalisadores semicondutores. A equipe mediu a corrente de elétrons e descobriu que ela 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 cuspi-los na direção oposta, sem a ajuda de hidrogenases.
A plataforma de imagem é generalizável o suficiente para ser usada para estudar 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”, disse Chen. “Podemos imaginar e estudar proteínas, mas nossa abordagem não nos permite analisar composições de moléculas pequenas. Portanto, pode-se pensar em integrar ainda mais nossa abordagem com outras técnicas – por exemplo, espectrometria de massa em nanoescala – para que seja realmente poderoso . Ainda não chegamos lá.”
A pesquisa foi apoiada pelo programa Biomolecular Characterization and Imaging Science do DOE.
Os pesquisadores fizeram uso do Cornell Center for Materials Research Shared Facilities, que é apoiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation.
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