Geliştirilen “Spacesuit”ler (uzay takımı); astronotların uzay üssü dışında uzayda yaşayamayacağı alanlarda hayatta kalmalarına yardımcı olacak, metal organik çerçeve içerisinde bakterilerden oluşan bir yapıdır.
Kaliforniya Üniversitesi’nden kimyagerler; bakterinin ömrünü uzatmak için karbon dioksiti yakalamak ve endüstri açısından da bir gün kullanılabilecek kimyasallara dönüştürmek için ışık emici yarı iletkenler ile canlı bakterileri eşleştiren benzersiz bir sistemde “koruyucu giysileri” geliştirdi.
Sistem; bitkilerdeki fotosentezi taklit eder. Fakat bitkiler, karbondioksiti yakalayıp güneş ışığından gelen enerji ile sık sık yediğimiz karbonhidratlara dönüştürür. Hibrid sistem de aynı şekilde bakterilerin türüne bağlı olarak çeşitli karbon bileşikleri yapmak için karbondioksit ve ışığı yakalar.
Deneyde kullanılan bakteriler; oksijensiz ortamlarda yaşamaya adapte olan anlamına gelen anaerobiktir. Takım; metal-organik bir çerçeve veya MOF adı verilen örgü benzeri patchwork parçalardan oluşan tıpkı bir peroksit gibi oksijen ve reaktif oksijen moleküllerinin ömrünü kısaltan, geçirimsiz bir maddedir.
Hibrid sistem; endüstri ve çevre için bir kazan-kazan olabilir: Enerji santralleri tarafından yayılan karbondioksiti yakalayabilir ve faydalı ürünlere dönüştürebilir. Aynı zamanda; diğer gezegenlerdeki uzay gemileri ve habitatlar gibi yapay ortamlarda gerekli kimyasalları üretmek için biyolojik bir yol sağlar.
UC Berkeley Kimya ve Enerji Bölümü’nden Angela Chan ve Peidong Yang: “Yakıtları, ilaçları ve kimyasalları yapmak için CO2‘yi; gübre ve azot fiksasyonu yapmak için biyohibridimizi kullanıyoruz. Filmdeki Matt Damon; Mars’ta patates yetiştirmek için kendi atıklarını gübre olarak kullanmak zorundaydı…”
Bakteri ve Yarı İletken Melez
Yang ve meslektaşları son beş yıl içinde nanoteller gibi ışık emici yarı iletkenler üzerindeki çalışmalarına dayanarak melez bakteri sistemini geliştirdiler: Bir nanometre-tel; bir metrenin milyarda biri olan yüzlerce silisyumdan oluşan bir kaç yüz nanometre… Aynı zamanda Nano-ağ dizileri ışığı yakalamak ve elektrik üretmek için ucuz güneş pilleri de vaat ediyor.
Hibrid sistem; anaerobik bakterilere elektron beslemek için yarı iletkenler tarafından verimli ışık yakalama avantajından yararlanır. (Normal şartlarda elektronları kendi çevrelerinden canlı olarak ele geçirir.) Buradaki amaç; yararlı karbon bileşiklerini çıkarmak için bakterilerin karbon yakalamasını arttırmaktır.
Yang: “Bu bakterileri; onlara elektron sağlayan bir yarı iletken ile birleştiriyoruz. Böylece daha fazla kimya oluşturabilirler. Ancak bu süreç aynı zamanda bakterilere zarar veren tüm bu reaktif oksijen türlerini de üretir. Bu bakterileri bir kabuk içine koyarız, böylece oksidatif türlerin herhangi biri içeri girerse; savunma olarak kabuğu parçalar.”
Bu takım; bakteri etrafını saran, yamalar halinde örten bir MOF (metal organik çerçeve) gözünden yapılmıştır. Yang, bu MOF giysilerini giyerek, bakterilerin normal oksijen konsantrasyonlarında beş kat daha uzun ( yüzde 21 hacimde) kıyafetsiz ve doğal ortamlarından daha uzun süre yaşayabildiğini söylüyor. Normal yaşam süreleri haftalar ile aylar arasında değişmektedir. Ayrıca işlemden sonra sistemden temizlenebilir ve yeni bir parti ile değiştirilebilmektedir.
Bu deneyde, araştırmacılar kimya endüstrisinde ortak bir öncü olan asetat (asetik asit veya sirke) üreten Morella thermoacetica adı verilen bakterileri kullandılar. Test bakterilerinden biri olan Sporomusa ovata da asetat üretiyor.
Yang: “Anaerobik bakterilerden bunları seçtik; çünkü bir kimyasal ürüne olan seçiciliği her zaman yüzde 100. Açıkçası bu koşullarda bize asetat veren bir bakteri seçmiş olduk. Ancak size metan veya alkol vermek için başka bir değişken de seçebilirsiniz. Aslında, alkolü bira ve şarapta fermente eden ve sütü peynir ve yoğurda dönüştüren bakteriler; anaerobiktir.”
Yang’ın hibrid sistemle yaptığı ilk deneyler; silikon nanotellerle birleştirilen bakterileri eşleştirirken; 2016 yılında, bakterilerin elektronlarını besleyen etkili bir ışık emici olarak görev yapan doğal bir yarı iletken, kadmiyum sülfit ile kendilerini donattıklarını keşfetti.
Mevcut deneyde, araştırmacılar kadmiyum sülfit ile donanmış bakterileri aldılar ve esnek, bir nanometre kalınlığında MOF katmanı ile bunları kandırdılar. Sert bir MOF’un; bakterinin normal büyüme ve parçalanma sürecine müdahale ederken, zirkonyum bazlı MOF yamasının ise, bakterilerin MOF ile giydirilirken şişmesine ve parçalanmasına izin verecek kadar yumuşak olduğu keşfedildi. Böylece çözelti içindeki yeni MOF’un, yeniden çözülmüş olduğu gözlemlendi.
Kimya Bölümünde James ve Neeltje Tretter Kürsü’sünün Ortak Yazarı Omar Yaghi: “2D MOF’yi bir grafen tabakası gibi düşünebilirsiniz: Bakteri kaplayan tek katmanlı kalın bir pelerin… 2D MOF, bakterilerle çözelti içinde yüzen ve bakteri çoğaldıkça 2D MOF katmanı ile kaplandığı için, bakterileri oksijenden koruyan bir maddedir.”
Yang ve meslektaşları ayrıca hibrit sistemin ışığı yakalaması, elektron transferi ve belirli bileşiklerin üretimini iyileştirmesi için de çalışıyorlar. Bakterilerdeki optimize edilmiş yetenekleri; daha karmaşık moleküller üretmek için, bu bakterilerdeki yeni metabolik yollarla birleştirmeyi tasarlıyorlar.
