Os elétrons viajam uma das duas rotas em sistemas nano-bio-híbridos

Manteiga de amendoim e geléia. Simon e Garfunkel. Semicondutores e bactérias. Algumas combinações são mais duráveis ​​que outras. Nos últimos anos, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores de Cornell vem emparelhando micróbios com os nanocristais semicondutores conhecidos como pontos quânticos, com o objetivo de criar sistemas de nano-bio-híbridos que podem colher a luz photo voltaic para realizar transformações químicas complexas para materiais e aplicações de energia.

Agora, a equipe identificou pela primeira vez exatamente o que acontece quando um micróbio recebe um elétron de um ponto quântico: a carga pode seguir um caminho direto ou ser transferido indiretamente através das moléculas de transporte do micróbio.

Os resultados são publicado em Anais da Academia Nacional de Ciências. O autor principal é Mokshin Suri.

“Para dizer sucintamente, descobrimos que existem diferentes caminhos para a comunicação”, disse o autor sênior Tobias Hanrath, professor de engenharia de David Croll na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Smith em Engenharia de Cornell. “Isso, por si só, foi suspeito e discutido, mas não foi quantificado com precisão e fotografado como fizemos. Este é o primeiro passo basic para uma visão de longo prazo de combinar processamento de informações digitais com bioquímica microbiana”.

O projeto foi lançado em 2019. O esforço reuniu as capacidades de microscopia de Peng Chen, o professor de química de Peter JW Debye na Faculdade de Artes e Ciências, com a experiência em biologia sintética do Buz Barstow, Ph.D., Professor Assistente de Biologia e Engenharia Ambiental na Faculdade de Agricultura e Scinces e Scinces, e Han, e Han. Em 2023, a equipe desenvolveu uma plataforma para imaginar seus sistemas bio-híbridos com resolução de célula única e analisar essencialmente onde ocorreu a atividade eletroquímica.

Para o novo estudo, os pesquisadores decidiram usar uma abordagem diferente, mas complementar, especificamente para entender como derrubar um elétron de um ponto quântico e em um micróbio. Eles se voltaram para Warren Zipfel, professor associado de engenharia biomédica em Cornell Engineering, especializada em usar Microscopia óptica Para pesquisas biomédicas, como analisar tecidos.

“O bom momento de A-ha que Mokshin contribuiu para isso foi o reconhecimento de que você pode usar a mesma ferramenta para investigar as interações entre o ponto quântico e o micróbio que nunca havia sido feito antes”, disse Hanrath. “Então, há uma novidade, apenas em uma medida por si só, além das idéias que surgiram disso”.

Os pontos quânticos são caracterizados por fortes interações de matéria de luz, e seus ópticos e propriedades eletrônicas pode ser personalizado alterando seu tamanho-capacidades reconhecidas com o Prêmio Nobel de 2023 em Química. Eles já chegaram às tecnologias comerciais na forma de shows de LED de QD, pelos quais um elétron é injetado e um fóton aparece. Eles também funcionam de outra maneira.

“Em nosso estudo, alavancamos essencialmente a funcionalidade LED em reverso”, disse Hanrath. “Em vez de emitir um fóton a partir de um elétron injetado, injetamos um fóton e observamos como os elétrons são injetados do ponto quântico iluminado para o micróbio próximo”.

Enquanto Pontos quânticos ter interações fortes Com a luz, eles são limitados a transformações químicas relativamente básicas, e o oposto é verdadeiro para células microbianas, disse Hanrath. É por isso que um híbrido quântico-micróbio do ponto tem uma sinergia potencial tão forte.

Usando microscopia de imagem por vida útil da fluorescência com excitação de dois fótons em um ponto quântico de seleneto de cádmio e bactérias Shewanella oneidensis, os pesquisadores identificaram um halo distinto em torno do micróbio, o que sugeriu que a transferência de carga estava recebendo alguma assistência periférica. Acontece que um elétron pode se mover diretamente do ponto quântico para o micróbio, ou pode ser transferido do micróbio por meio de moléculas de transporte, chamadas mediadores redox.

“Eles têm taxas diferentes, diferentes tipos de constantes de tempo características”, disse Hanrath. “E você pode medir isso com as medições de vida útil da fluorescência que fizemos”.

Bio -híbridos fotossintéticos desse tipo podem potencialmente converter dióxido de carbono em produtos químicos de valor agregado, como bioplásticos e biocombustíveis, e controlam outros processos de micróbios.

“É emocionante pensar em todas as coisas que poderiam ser possíveis se você mesclar o processamento de informações digitais com o que o micróbio faz”, disse Hanrath. “Se você tiver alguma maneira de se comunicar com o micróbio, poderá direcionar para fazer coisas que, de outra forma, não teria feito ou que seria realmente difícil de fazer por outros meios”.

Além de Chen, Zipfel e Barstow, os co-autores incluem Farshid Salimijazi, Ph.D.; estudante de doutorado Jack Crowley; e pesquisadores de pós -doutorado Youngchan Park e Bing Fu.