31 ژوئیه 2023-© shutterstock/GLF Media
محققان دانشگاه کرنل یک پلت فرم تصویربرداری برای بررسی بیوهیبریدها با وضوح تک سلولی ایجاد کرده اند. این پلتفرم به محققان این امکان را می‌دهد تا درک کنند که چگونه این میکروب‌ها می‌توانند CO2 را به پلاستیک زیستی تبدیل کنند و برای تبدیل انرژی کارآمدتر بهینه شوند.
این پروژه توسط پنگ چن، استاد شیمی در کالج هنر و علوم رهبری شد که توسعه بخشی از یک همکاری بزرگتر با توبیاس هانراث، استاد دانشکده مهندسی شیمی و بیومولکولی اسمیت در مهندسی کرنل، و Buz Barstow، استادیار مهندسی زیست شناسی و محیط زیست در کالج کشاورزی و علوم زیستی است.
این همکاری توسط وزارت انرژی ایالات متحده برای بررسی تصویربرداری میکروسکوپی از میکروب ها برای پیشبرد تحقیقات متمرکز بر انرژی زیستی تامین شد.
مقاله “تصویربرداری چندوجهی تک سلولی مسیرهای تبدیل انرژی را در بیوهیبریدها آشکار می کند” در Nature Chemistry منتشر شده است.باکتری هایی که برای تبدیل CO2 به پلاستیک های زیستی استفاده می شوند.
در سال های اخیر، دانشمندان بیوهیبریدهای میکروبی نیمه هادی را ایجاد کرده اند که قدرت بیوسنتزی باکتری ها را با توانایی نیمه هادی ها برای برداشت نور ترکیب می کند.
میکروب ها از انرژی خورشیدی برای تبدیل CO2 به محصولات شیمیایی با ارزش افزوده مانند سوخت های زیستی و پلاستیک های زیستی استفاده می کنند.با این حال، نحوه انتقال انرژی در چنین سیستم پیچیده ای کوچک و اینکه آیا می توان آن را بهبود بخشید، هنوز مشخص نیست.اکنون، محققان دانشگاه کرنل یک پلت فرم تصویربرداری برای درک بهتر این فرآیندها ایجاد کرده اند.
تحقیقات Biohybrid بر روی باکتری ها به صورت عمده متمرکز شده است.پیش از این، تحقیقات بیوهیبرید به طور کلی با باکتری‌ها به صورت فله‌ای انجام شده بود، که بر عملکرد کلی مواد شیمیایی ارزش افزوده و رفتارهای جمعی سلول‌ها تأکید می‌کرد.
در عوض، مکانیسم اساسی که تبدیل شیمیایی پیچیده را امکان پذیر می کند باید مورد تاکید قرار گیرد.
“زیست شناسی بسیار ناهمگن است. تک تک سلول ها بسیار متفاوت هستند. اکنون، برای اینکه بتوان آن را بهتر بررسی کرد، واقعاً باید آن را در سطح تک سلولی اندازه گیری کرد.این همان جایی است که ما وارد می‌شویم. ما ارزیابی‌های کمی از رفتارهای پروتئین و همچنین درک مکانیکی از نحوه انتقال الکترون از نیمه‌رسانا به سلول باکتری ارائه می‌کنیم.
پلت فرم جدید تصویربرداری چگونه کار می کند؟
پلتفرم جدید تصویربرداری فلورسانس چند کانالی را با نقشه برداری جریان فوتوالکتروشیمیایی برای بررسی باکتری Ralstonia eutropha ترکیب کرد.
پلتفرم تصویربرداری می تواند چندین پروتئین را در سلول تصویربرداری، ردیابی و کمی سازی کند و همچنین جریان الکترون ها را اندازه گیری کند. در نهایت، خواص پروتئین سلولی و فرآیندهای انتقال الکترون همبستگی داشتند.
با استفاده از این پلت فرم، این تیم نقش عملکردی دو نوع هیدروژناز را متمایز کرد – یکی متصل به غشای سلول و دیگری محلول در سیتوپلاسم. اینها به متابولیسم هیدروژن و تثبیت CO2 کمک می کنند.
اگرچه هیدروژناز محلول برای متابولیسم هیدروژن حیاتی شناخته شده است، این تیم کشف کردند که هیدروژناز متصل به غشاء این فرآیند را تسهیل می کند و آن را کارآمدتر می کند.
محققان همچنین اولین شواهد تجربی را به دست آوردند مبنی بر اینکه باکتری ها می توانند تعداد زیادی الکترون را از فوتوکاتالیست های نیمه هادی جذب کنند.
با اندازه‌گیری جریان الکترون، این گروه دریافتند که این جریان سه مرتبه بزرگتر از چیزی است که قبلاً تصور می‌شد. این نشان می‌دهد که می‌توان گونه‌های باکتری آینده را برای بهبود کارایی تبدیل انرژی مهندسی کرد.
آنها همچنین کشف کردند که هیدروژنازهای متصل به غشاء و محلول نقش مهمی در انتقال الکترون از نیمه هادی به سلول دارند.
از آنجا که پلت فرم تصویربرداری قابل تعمیم است، می توان از آن برای مطالعه سایر سیستم های بیولوژیکی- معدنی، از جمله مخمر، و برای فرآیندهای دیگر، مانند تثبیت نیتروژن و حذف آلاینده ها استفاده کرد.
چن گفت: «پلتفرم تصویربرداری چندوجهی ما قدرتمند است، اما البته محدودیت‌های خاص خود را دارد.
ما می‌توانیم پروتئین‌ها را تصویربرداری و مطالعه کنیم، اما رویکرد ما به ما اجازه نمی‌دهد که ترکیبات مولکولی کوچک را تجزیه و تحلیل کنیم. و بنابراین می توان در مورد ادغام بیشتر رویکرد ما با تکنیک های دیگر – به عنوان مثال، طیف سنجی جرمی در مقیاس نانو – فکر کرد تا واقعاً قدرتمند باشد. ما هنوز آنجا نیستیم.»
