Met kwantumdots kun je een vorm van fotosynthese opdringen aan bacteriën, die daar van nature niet aan doen. De resulterende ‛nanorgs’ kun je op afroep nuttige koolwaterstoffen laten maken uit koolstofdioxide en zonlicht, denken Prashant Nagpal en collega’s van de University of Colorado.

Het basisidee is dan dat je de natuurlijke enzymen, die voor de productie van zulke verbindingen verantwoordelijk zijn, genetisch dusdanig modificeert dat kwantumdots er selectief aan gaan hechten. Uit zo’n kwantumdot, gewoonlijk een nanokristal van een metaalzout, maakt licht van een bepaalde golflengte elektronen vrij die het enzym weer kan gebruiken als energiebron. Daarmee neemt zo’n nanokristal in feite de functie over van andere eiwitten die elektronen aanleveren door fotosynthetische reacties te faciliteren of suikers uit de omgeving af te breken.

In het Journal of the American Chemical Society legt Nagpal uit hoe hij dit in de praktijk realiseert. Als uitgangspunt dienen de bacteriën Azotobacter vinelandii en Cupriavidus necator, die hun energie normaal gesproken uit suikers halen. De kwantumdots bestaan uit een kern die op de gewenste golflengte reageert, bijvoorbeeld cadmiumsulfide, cadmiumselenide of indiumfosfide, bekleed met een laagje zinksulfide van twee atomen dik. En de modificatie van de enzymen bestaat er uit dat je op strategische plekken (dus aan het oppervlak, en vlak naast de actieve plek waar de elektronen heen moeten) een exemplaar inbouwt van het aminozuur histidine, dat zinkionen bindt.

Om de elektronenoverdracht te verbeteren kun je de kwantumdots dan nog garneren met cysteïne, een ander aminozuur dat zich gedraagt als zwitterion.

De onderzoekers hebben een bibliotheek opgebouwd van zeven kwantumdottypes die elk reageren op een andere golflengte, van ultraviolet tot nabij-infrarood, en daarbij dus ook elektronen genereren met zeven verschillende energieniveaus. Het idee is dat je dat niveau zo goed mogelijk afstemt op de behoefte van het doelenzym. Voor alle dots geldt dat ze klein genoeg zijn om het celmembraan van een bacterie te passeren en vervolgens uit zichzelf dat doelenzym op te zoeken.

Met deze dots bouwden ze bacteriën om tot nanorgs (voluit nano-biohybride organismes) die, afhankelijk van de enzymen die je modificeert, uit licht en CO₂ een hele reeks koolwaterstoffen kunnen maken zoals isopropanol, 2,3-butaandiol, C11-C15 methylketonen, etheen, mierenzuur en polyhydroxybutyraat. Ook koolstofloze producten zoals waterstof en ammoniak zijn mogelijk, waarbij de benodigde stikstof uit de atmosfeer komt. Het rendement is nog niet denderend maar de opbrengst ligt nu al een paar keer hoger dan wanneer je de bacteriën niet modificeert en ze gewoon suikers voert.

De auteurs verwachten dat je dat nog verder kunt opvoeren door wat meer te sleutelen, zodat de bacteriën grotere hoeveelheden gaan aanmaken van de betrokken enzymen. De rest van hun metabolisme zou je daar dan op moeten afstemmen.

Commercieel aantrekkelijk zal het desondanks wel nooit worden, voorspelt Nagpal in een persbericht. Maar hij denkt dat het milieubewuste burgers wel een goed gevoel zal geven wanneer een vijver vol gemodificeerde bacteriën hun CO₂-voetafdruk deels omzet in bioplastic dat ze zo nu en dan van het wateroppervlak kunnen scheppen. Waarvan akte.

bron: University of Colorado at Boulder