効率的な太陽光発電のためのペリプラズム生合成の可能性を探る

2023 年 7 月 28 日

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中国科学院、李源著

中国科学院（CAS）の深セン先端技術研究所（SIAT）とシカゴ大学の研究者らは、効率的な太陽エネルギーによる化学生産のため、グラム陰性菌のペリプラズム空間内に半導体ナノクラスターが沈殿していることを発見した。 この研究結果は、7 月 21 日付けの Science Advances に掲載されました。

生体ミネラル化は、生体細胞や組織の周囲に無機物質が堆積するプロセスであり、複合材料の形成につながります。 細菌は周囲から金属イオンを抽出し、機能性物質を生成する能力を持っています。

細菌の細胞質内膜と外膜の間にあるゲル状のマトリックスであるペリプラズム空間は、限られた環境内でナノマテリアルを合成および利用するためのユニークな機会を提供します。

豊富な酵素とペプチドグリカンを特徴とするグラム陰性菌のペリプラズム空間は、生物ミネラル化のための肥沃な土壌を提供します。 さらに、グラム陰性菌はペリプラズムに密接に接続された電子伝達鎖を持っており、細胞内の還元力を再生するために半導体から電子伝達鎖への光誘起電子の移動を促進します。 その場で生成された欠陥の多い半導体ナノクラスターは、光条件下でアデノシン三リン酸 (ATP) レベルを上昇させ、リンゴ酸生成を促進する可能性があります。

さらに、チームは重金属含有量の削減、生きたバイオリアクターの作成、半人工光合成システムの構築など、ペリプラズム生合成の持続可能性を拡張しました。 バイオミネラリゼーションの力を利用することにより、ペリプラズム生合成は、さまざまな持続可能なアプリケーションのプラットフォームとして計り知れない可能性を示しました。

「私たちは、ペリプラズム生合成が、太陽光による生体触媒作用と持続可能性のための、半人工光合成に基づく貴重なモデルとして機能すると信じています」と、この研究の共著者であるガオ・シャン教授は述べた。

半導体生合成は適応性が高く、制御された生体適合性と細菌成分との効率的な組み合わせが可能であり、代謝プロセスの電子源として機能します。 ペリプラズム内での金属ナノ粒子の合成は報告されているが、この領域における半導体ベースの生物学的界面に関する研究は、特に生体調節とマルチレベル持続可能性の観点から稀である。

研究チームは、大腸菌（グラム陰性菌のモデル生物）のペリプラズムおよび微生物バイオハイブリッドからの半導体バイオミネラリゼーションのための非遺伝的アプローチを開発した。 半導体ナノクラスターは結晶化度が低下し、ペリプラズムペプチドグリカンマトリックスによって安定化され、細菌細胞とのより柔軟な界面を提供しました。 彼らは、材料の根底にあるメカニズムと生物学的特性を調査し、半導体ナノクラスター (例: CdS) が H2S 生成経路によって媒介されていることを発見しました。

この発見は、細菌のペリプラズム空間の未解明な性質を浮き彫りにしており、環境修復、生きたバイオリアクターの製造、生物生産と持続可能性のための半人工光合成に応用できる半導体ベースのバイオハイブリッドを構築する可能性がある。

太陽光駆動の化学生産のために研究チームが開発した半導体と細菌のバイオハイブリッドプラットフォームを形成するペリプラズムバイオミネラリゼーションは、他の細菌や細胞にも拡張できる可能性があり、さらなる持続可能性を備えたバイオレメディエーションアプリケーションを強化します。