Микробные биопленки как живые фотопроводники благодаря сверхбыстрому переносу электронов в нанопроволоках цитохрома OmcS

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5150 (2022 г.) Цитировать эту статью

7063 Доступа

9 цитат

239 Альтметрика

Подробности о метриках

Светоиндуцированный микробный перенос электронов имеет потенциал для эффективного производства химических веществ с добавленной стоимостью, биотоплива и биоразлагаемых материалов благодаря разнообразным метаболическим путям. Однако у большинства микробов отсутствуют фотоактивные белки, и им требуются синтетические фотосенсибилизаторы, которые страдают от фотокоррозии, фотодеградации, цитотоксичности и образования фотовозбуждаемых радикалов, вредных для клеток, что серьезно ограничивает каталитическую эффективность. Поэтому существует острая потребность в биосовместимых фотопроводящих материалах для эффективного электронного взаимодействия между микробами и электродами. Здесь мы показываем, что живые биопленки Geobacterulfurreducens используют нанопроволоки цитохрома OmcS в качестве собственных фотопроводников. Фотопроводящая атомно-силовая микроскопия показывает до 100-кратного увеличения фототока в очищенных отдельных нанопроволоках. Фототоки быстро (<100 мс) реагируют на возбуждение и обратимо сохраняются в течение нескольких часов. Фемтосекундная спектроскопия переходного поглощения и моделирование квантовой динамики выявили сверхбыстрый (~ 200 фс) перенос электронов между гемами нанопроволок при фотовозбуждении, увеличивая плотность и подвижность носителей. Наша работа открывает новый класс природных фотопроводников для цельноклеточного катализа.

В живые клетки уже более двух десятилетий добавляются квантовые точки и наноструктуры для флуоресцентной маркировки и доставки лекарств1. Однако светопоглощающие наноструктуры не используются для запуска каталитических реакций внутри клеток из-за отсутствия биосовместимости и высокой цитотоксичности чужеродных материалов, таких как фотосенсибилизаторы, внутри клетки, что часто ограничивает эффективность работы1. Кроме того, присущие синтетическим фотосенсибилизаторам дефекты вызывают ряд проблем, таких как фотокоррозия, фотодеградация и образование фотовозбуждаемых радикалов, что приводит к низкой стабильности, невоспроизводимости и недостаточной устойчивости биогибридных материалов2.

Некоторые бактерии производят светопоглощающие центры, но страдают от низкой эффективности переноса электронов и недостаточной долговечности1. Природные белки-переносчики электронов, такие как азурины, миоглобин и цитохромы c-типа, не проявляют фотопроводимости3,4 из-за пикосекундного времени жизни носителей гемового железа, которое обычно ингибирует любое разделение зарядов5. Ковалентное связывание искусственных фотосенсибилизаторов с этими белками приводит к низкой скорости переноса электронов в масштабе времени 10 нс или медленнее, что значительно ограничивает их применение6. Кроме того, невозможно использовать более длительное время жизни возбужденных состояний, таких как инжекция электронов из триплетных состояний, из-за быстрой деградации, вызванной активными формами кислорода, образующимися в этих процессах. Поэтому существует острая необходимость в разработке новых биоматериалов, способных к сверхбыстрому переносу первичных электронов для достижения эффективного разделения зарядов с последующим последовательным переносом вторичных электронов для долгоживущего разделения заряда и накопления заряда6.

Чтобы оценить использование искусственных живых материалов в качестве живых фотопроводников, мы выбрали электроактивный почвенный организм Geobacterulfurreducens, поскольку он развил способность экспортировать электроны, полученные в результате метаболизма, к внеклеточным акцепторам, таким как оксиды металлов и электроды, в процессе, называемом внеклеточным переносом электронов. (ЕЕТ)7,8. Бактерии устанавливают прямой электрический контакт с акцепторами электронов через полимеризованные цитохромные нанопроволоки микрометровой длины, называемые OmcS, что устраняет необходимость в диффузионных окислительно-восстановительных медиаторах7,8 (рис. 1b). Гемы в нанопроволоке OmcS образуют параллельную пару со скользящей стопкой, причем каждая пара перпендикулярна (Т-образная укладка) к следующей паре, образуя непрерывную цепочку по всей микрометровой длине нанопроволоки7 (рис. 1d). Минимальные расстояния от края до края составляют 3,4–4,1 Å между гемами с параллельной укладкой и 5,4–6,1 Å между парами, сложенными Т-образной структурой.