Proces biochemiczny, w którym cyjanobakterie pozyskują składniki odżywcze ze skał na pustyni Atacama w Chile, zainspirował inżynierów z University of California w Irvine do wymyślenia nowych sposobów, w jakie mikroby mogą pomóc ludziom budować kolonie na Księżycu i Marsie.
Naukowcy z Wydziału Nauki i Inżynierii Materiałowej UCI oraz Wydziału Biologii Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa wykorzystali mikroskopię elektronową o wysokiej rozdzielczości i zaawansowane techniki obrazowania spektroskopowego, aby dokładnie zrozumieć, w jaki sposób mikroorganizmy modyfikują zarówno naturalnie występujące minerały, jak i syntetycznie wytworzone nanoceramiki. Według naukowców kluczowym czynnikiem jest to, że cyjanobakterie wytwarzają biofilmy, które rozpuszczają magnetyczne cząsteczki tlenku żelaza w skałach gipsowych, przekształcając następnie magnetyt w utleniony hematyt.
Odkrycia zespołu, które są przedmiotem artykułu opublikowanego niedawno w czasopiśmie Materials Today Bio, mogą stanowić ścieżkę dla nowych biomimetycznych metod wydobywania. Autorzy powiedzieli również, że postrzegają wyniki jako krok w kierunku wykorzystania mikroorganizmów w drukowaniu 3D na dużą skalę lub wytwarzaniu przyrostowym na skalę przydatną w inżynierii lądowej i wodnej w trudnych warunkach, takich jak te na Księżycu i Marsie.
„Dzięki procesowi biologicznemu, który ewoluował przez miliony lat, ci mali górnicy wydobywają skały, wydobywając minerały niezbędne do funkcji fizjologicznych, takich jak fotosynteza, która umożliwia im przetrwanie” – powiedział autor korespondent David Kisailus, profesor materiałów UCI nauka i inżynieria. „Czy ludzie mogliby zastosować podobne biochemiczne podejście do pozyskiwania i manipulowania minerałami, które uważamy za cenne? Ten projekt poprowadził nas tą ścieżką”.
Pustynia Atacama jest jednym z najbardziej suchych i niegościnnych miejsc na Ziemi, ale Chroococcidiopsis, sinica znaleziona w próbkach gipsu zebranych tam przez zespół Johnsa Hopkinsa, opracowała „najbardziej niesamowite adaptacje, aby przetrwać w skalistym środowisku” – powiedział współautor Jocelyne DiRuggiero, profesor biologii na uniwersytecie w Baltimore.
„Niektóre z tych cech obejmują wytwarzanie chlorofilu, który pochłania fotony dalekiej czerwieni oraz zdolność do wydobywania wody i żelaza z otaczających minerałów” – dodała.
Korzystając z zaawansowanych mikroskopów elektronowych i instrumentów spektroskopowych, naukowcy znaleźli dowody na obecność drobnoustrojów w gipsie, obserwując, jak przekształciły się zawarte w nim minerały.
„Komórki cyjanobakterii promowały rozpuszczanie magnetytu i rozpuszczanie żelaza poprzez wytwarzanie obfitych zewnątrzkomórkowych substancji polimerowych, co prowadziło do rozpuszczania i utleniania magnetytu do hematytu” – powiedział DiRuggiero. „Produkcja sideroforów [iron-binding compounds generated by bacteria and fungi] został wzmocniony w obecności nanocząstek magnetytu, co sugeruje ich wykorzystanie przez cyjanobakterie do pozyskiwania żelaza z magnetytu”.
Kisailus powiedział, że sposób, w jaki mikroorganizmy przetwarzają metale w ich opustoszałym domu, skłonił go do zastanowienia się nad naszymi własnymi praktykami wydobywczymi i produkcyjnymi.
„Kiedy wydobywamy minerały, często kończymy z rudami, które mogą stanowić wyzwanie dla wydobycia cennych metali” – powiedział. „Często musimy poddawać te rudy ekstremalnej obróbce, aby przekształcić je w coś wartościowego. Ta praktyka może być kosztowna pod względem finansowym i środowiskowym”.
Kisailus powiedział, że zastanawia się teraz nad podejściem biochemicznym wykorzystującym naturalne lub syntetyczne analogi sideroforów, enzymów i innych wydzielin do manipulowania minerałami tam, gdzie obecnie działa tylko duża mechaniczna kruszarka. I robiąc skok stąd, powiedział, że może być również sposób, aby mikroorganizmy wykorzystywały podobne zdolności biochemiczne do produkcji materiału inżynieryjnego na żądanie w mniej niż dogodnych lokalizacjach.
„Nazywam to„ formowaniem księżyca ”zamiast terraformowaniem” – powiedział Kisailus. „Jeśli chcesz zbudować coś na Księżycu, zamiast ponosić koszty zlecania tego ludziom, moglibyśmy mieć zrobotyzowane systemy druku 3D, a następnie zlecić mikrobom rekonfigurację tego w coś wartościowego. Można to zrobić bez narażania na niebezpieczeństwo. życie ludzkie”.
Dodał, że ludzie nie zawsze muszą stosować podejście edisonowskie, aby dowiedzieć się, jak coś robić.
„To jest główny temat mojego laboratorium biomimetyki i materiałów nanostrukturalnych. Po co próbować odkrywać koło na nowo, skoro natura udoskonaliła je przez setki milionów lat?” – powiedział Kisailus. „Musimy tylko wydobyć sekrety i plany dotyczące tego, co robi natura, i zastosować je lub dostosować do naszych potrzeb”.
Projekt ten był finansowany przez Wojskowe Biuro Badawcze i był wspomagany instrumentami udostępnionymi przez Biuro Naukowe Departamentu Energii. W skład zespołu badawczego wchodzili również Wei Huang, doktor habilitowany w grupie laboratoryjnej Kisailusa; dr Taifeng Wang, który niedawno ukończył UCI i jest obecnie zatrudniony w firmie Intel; oraz Cesar Perez-Fernandez z Wydziału Biologii Uniwersytetu Johna Hopkinsa.