Исследователи из Корнельского университета совершили прорыв в понимании взаимодействия между неорганическими наноматериалами и живыми микроорганизмами. Научная группа под руководством Мокшина Сури и Тобиаса Ханрата (профессора инженерии Дэвида Кролла в Школе химической и биомолекулярной инженерии) обнаружила и количественно описала два различных пути передачи электронов между квантовыми точками и микробами.
Проект, стартовавший в 2019 году, объединил специалистов из разных областей, включая Пенга Чена (профессора химии Питера Дж. В. Дебая из Колледжа искусств и наук), Буза Барстоу (доцента биологической и экологической инженерии из Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни) и Уоррена Зипфеля (доцента биомедицинской инженерии). В 2023 году команда разработала платформу для визуализации биогибридных систем с разрешением на уровне отдельных клеток. Исследование основывается на технологии квантовых точек, отмеченной Нобелевской премией по химии 2023 года.
Используя флуоресцентную микроскопию с визуализацией времени жизни и двухфотонным возбуждением, ученые изучили взаимодействие между квантовыми точками селенида кадмия и бактериями Shewanella oneidensis. Они обнаружили, что электроны могут перемещаться двумя различными путями: непосредственно от квантовой точки к микробу или через молекулы-посредники, называемые редокс-медиаторами.
«Мы смогли увидеть и количественно оценить различные пути электронного переноса между квантовыми точками и микробами, что является фундаментальным шагом к объединению цифровой обработки информации с микробной биохимией», – отмечают исследователи в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Интересно, что ученые также обнаружили отчетливое гало вокруг микроба, что указывает на периферическую помощь в переносе заряда. Каждый из путей электронного переноса характеризуется различными скоростями и характерными временными константами, что открывает возможности для тонкой настройки этих взаимодействий.
Квантовые точки, являющиеся полупроводниковыми нанокристаллами с сильными взаимодействиями света и материи, уже используются в коммерческих QD LED-дисплеях. Их оптические и электронные свойства можно настраивать, изменяя их размер. В данном исследовании ученые использовали квантовые точки в обратном режиме LED-функциональности, вводя фотоны для наблюдения за переносом электронов.
Значимость этого открытия выходит далеко за рамки фундаментальной науки. Биогибридные системы, сочетающие квантовые точки и микробы, могут найти применение в преобразовании углекислого газа в ценные химические продукты, такие как биопластики и биотопливо. Кроме того, понимание механизмов электронного переноса может позволить контролировать другие микробные процессы.
Исследование использует синергию между квантовыми точками, которые сильно взаимодействуют со светом, и микробами, способными осуществлять сложные химические преобразования. Соавторы исследования Фаршид Салимиджази, Джек Кроули, Янгчан Парк и Бинг Фу также внесли значительный вклад в понимание этих сложных взаимодействий на наноуровне.
Это открытие может стать основой для создания новых биогибридных технологий, объединяющих преимущества неорганических наноматериалов и живых систем для решения актуальных проблем энергетики и экологии.
Изображение носит иллюстративный характер
Проект, стартовавший в 2019 году, объединил специалистов из разных областей, включая Пенга Чена (профессора химии Питера Дж. В. Дебая из Колледжа искусств и наук), Буза Барстоу (доцента биологической и экологической инженерии из Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни) и Уоррена Зипфеля (доцента биомедицинской инженерии). В 2023 году команда разработала платформу для визуализации биогибридных систем с разрешением на уровне отдельных клеток. Исследование основывается на технологии квантовых точек, отмеченной Нобелевской премией по химии 2023 года.
Используя флуоресцентную микроскопию с визуализацией времени жизни и двухфотонным возбуждением, ученые изучили взаимодействие между квантовыми точками селенида кадмия и бактериями Shewanella oneidensis. Они обнаружили, что электроны могут перемещаться двумя различными путями: непосредственно от квантовой точки к микробу или через молекулы-посредники, называемые редокс-медиаторами.
«Мы смогли увидеть и количественно оценить различные пути электронного переноса между квантовыми точками и микробами, что является фундаментальным шагом к объединению цифровой обработки информации с микробной биохимией», – отмечают исследователи в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Интересно, что ученые также обнаружили отчетливое гало вокруг микроба, что указывает на периферическую помощь в переносе заряда. Каждый из путей электронного переноса характеризуется различными скоростями и характерными временными константами, что открывает возможности для тонкой настройки этих взаимодействий.
Квантовые точки, являющиеся полупроводниковыми нанокристаллами с сильными взаимодействиями света и материи, уже используются в коммерческих QD LED-дисплеях. Их оптические и электронные свойства можно настраивать, изменяя их размер. В данном исследовании ученые использовали квантовые точки в обратном режиме LED-функциональности, вводя фотоны для наблюдения за переносом электронов.
Значимость этого открытия выходит далеко за рамки фундаментальной науки. Биогибридные системы, сочетающие квантовые точки и микробы, могут найти применение в преобразовании углекислого газа в ценные химические продукты, такие как биопластики и биотопливо. Кроме того, понимание механизмов электронного переноса может позволить контролировать другие микробные процессы.
Исследование использует синергию между квантовыми точками, которые сильно взаимодействуют со светом, и микробами, способными осуществлять сложные химические преобразования. Соавторы исследования Фаршид Салимиджази, Джек Кроули, Янгчан Парк и Бинг Фу также внесли значительный вклад в понимание этих сложных взаимодействий на наноуровне.
Это открытие может стать основой для создания новых биогибридных технологий, объединяющих преимущества неорганических наноматериалов и живых систем для решения актуальных проблем энергетики и экологии.
