Biyohibritler Mars’ta ya da Dünya’da Karbondioksiti Yeni Ürünlere Dönüştürebilirler

İnsanlar Mars’ta kolonileşmeyi umut ediyorsa yakıtlardan ilaçlara, Dünya’dan taşıması çok maliyetli olacak büyük miktardaki organik bileşeni gezegen üzerinde üretmesi gerekecektir.

Kaliforniya, Berkeley Üniversitesi ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı kimyagerlerinin bununla ilgili bir planı bulunmaktadır.

Son 8 yıl için, araştırmacılar karbondioksit ve suyu, organik moleküllerin yapıtaşlarına çevirmek için güneş ışığı enerjisini yakalayabilen bakteri ve nanotelleri birleştiren bir hibrit sistem üzerinde çalışmaktadır. Nanoteller, insan saçının yüzde biri genişliğinde olan, elektronik bileşenler, sensörler ve güneş pilleri olarak kullanılan ince silikon tellerdir.

“Mars’ta atmosferin %96’sı karbondioksittir. Temel olarak, yapıyı oluşturmak için güneş enerjisini içine alıp bu bakterilere aktarmak için tüm ihtiyacınız olan bu silikon ve yarı iletken nanotellerdir,” demiştir projenin lideri, kimya profesörü Peidong Yang. “Derin uzay görevi için taşınan yükün ağırlığı önemlidir ve biyolojik sistemler kendi kendilerine yeniden üretildiklerinden avantaja sahiptirler: Bunlardan çok fazla miktarda göndermeniz gerekmez. Biyohibrit versiyonlarımızın çok daha cazip olmasının sebebi budur.”

Güneş ışığının yanı sıra gerekli olan tek ihtiyaç sudur, ki bu da Mars’ta kutuplardaki buz tabakasında bolca mevcuttur ve gezegenin büyük bir kısmında yeraltında donmuş bir şekilde yatmaktadır, demiştir Yang.

Biyohibrit ayrıca organik bileşenleri meydana getirmek için Dünya’da havadan karbondioksiti çeker ve eş zamanlı olarak atmosferdeki insan-kaynaklı karbondioksitin fazlasının sebep olduğu iklim değişikliğine işaret etmektedir.

31 Mart’ta Joule Dergisi’nde yayınlanan yeni bir makaleye göre araştırmacılar, bu bakterileri nanotel ormanlarına dönüştürme konusunda rekor bir verimliliğe ulaşmıştır: gelen güneş ışığının % 3,6’sı dönüştürülür ve asetat adı verilen 2-karbonlu molekül formundaki karbon bağlarında saklanır: temelde asetik asit ya da sirke.

Asetat molekülleri, yakıtlardan, plastiklerden ilaçlara bir dizi organik molekül için yapıtaşı olarak görev almaktadır. Diğer birçok organik ürün, bakteri ya da maya gibi genetiği değiştirilmiş organizmaların içinde bulunan asetattan yapılabilmektedir.

Sistem, bitkilerin karbondioksit ve suyu, şeker ve karbonhidrat gibi karbonlu bileşiklere dönüştürmek için doğal bir şekilde kullandıkları fotosentez gibi çalışmaktadır. Bitkiler daha düşük verimliliğe sahiptirler, güneş ışığının %1’inden az bir kısmını karbonlu bileşiklere dönüştürmektedirler. Yang’ın sistemi karbondioksiti şekere en iyi dönüştüren bitkiyle karşılaştırılabilir: % 4-5 verimlilikle şeker kamışı.

Yang ayrıca güneş ışığı ve karbondioksitten verimli bir şekilde şeker ve karbonhidrat üreten ve Mars kolonistlerine potansiyel olarak yiyecek sağlayan sistemler üzerine çalışmaktadır.

pH’ı İzle

Yang ve arkadaşları, nanotel-bakteri hibrit reaktörlerini 5 yıl önce ilk kez gösterdiklerinde, güneş ışığı dönüşüm verimi yalnızca %0,4’lerdeydi – bitkilerle karşılaştırılabilirdir, ancak klasik, %20’lerdeki verimliliklerle karşılaştırıldığında ışığı elektriğe çeviren silikon güneş panelleri için hala düşüktür. Yang, 15 yıl önce nanotelleri güneş panellerine dönüştüren ilk kişilerden biriydi.

Araştırmacılar, başlangıçta daha fazla bakteriyi -elektronları kimyasal reaksiyon için doğrudan bakteriye ileten- nanoteller üzerine paketleyerek verimi arttırmayı denediler. Ancak bakteri, çevrimi bozarak nanotellerden ayrıldı.

Araştırmacılar sonunda, bakterilerin asetat ürettiklerinde çevredeki suyun asiditesini düşürdüğünü -ve pH’ı arttırdığını- ve onları nanotellerden ayırdığını buldular. Yang ve arkadaşları, devam eden asetat üretiminin bir sonucu olarak, artan pH’ın etkisini gidermek için suyu biraz daha asidik tutmanın bir yolunu buldu. Bu da verimliliği neredeyse 10 kat arttırarak nanotel ormanına daha fazla bakteriyi yerleştirebilmelerine izin vermiştir. Paralel nanotellerin ormanı olan reaktörü bir hafta boyunca bakteri soyulması olmadan çalıştırabildiler.

Bu özel deneyde nanoteller, güneş ışığı absorplayıcısı olarak değil yalnızca iletken tel olarak kullanıldı. Enerji, harici bir güneş panelinden sağlanmıştır.

Öte yandan gerçek dünyadaki bir sistemde, nanoteller ışığı absorplayıp elektron üretecek ve bunları nanoteller üzerinde toplanan bakterilere taşıyacaktır. Bakteri, elektronları bünyesine alır ve bitkilerin şeker üretimine benzer bir şekilde 2 karbondioksit molekülünü ve suyu asetat ve oksijene dönüştürür.

“Bu silikon nanoteller temelde bir anten gibidir: Bir güneş paneli gibi güneş fotonlarını yakalarlar. Bu silikon nanoteller içerisinde elektronları üretecek ve onları bu bakterilere besleyeceklerdir. Sonrasında bakteri karbondioksiti absorplar, sentezi gerçekleştirir ve asetatı oluşturur,” demiştir Yang.

Yang, sisteme bakterinin kendi zarının içine -gün ışığını absorplayarak silikon nanotel ihtiyacını gideren- güneş panelleri gibi görev yapan kuantum noktaları yerleştirmek gibi farklı yollarla ayarlamalar yapmıştır. Bu robot bakteriler asetik asit de üretebilmektedir.

Yang’ın laboratuvarı, biyohibritlerin verimliliğini arttırmanın yollarını bulmak için çalışmalara devam etmektedir ve bakterileri çok yönlü hale getirmek ve çeşitli organik bileşikleri üretmelerini sağlamak için teknikler araştırmaktadır.

Çalışma, uzayda biyoüretim için teknikler geliştirmek için NASA’dan CUBES(Uzayda Biyoloji Mühendisliğinden Yararlanma Merkezi)’a verilen bir hibeyle ve multi-disipliner çalışmalarla desteklenmektedir.

Kaynak: sciencedaily.com