Investigadores descubren modificación de metales a través de la biología

Los investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCI y del Departamento de Biología de Johns Hopkins utilizaron microscopía electrónica de alta resolución y técnicas avanzadas de espectroscopía de imágenes para obtener una comprensión precisa de cómo los microorganismos modifican tanto los metales naturales como las nanocerámicas sintéticas. El factor clave, según los científicos, es que las cianobacterias producen biopelículas que disuelven las partículas magnéticas de óxido de hierro dentro de la roca de yeso, convirtiendo así la magnetita en hematita oxidada.

Los hallazgos del equipo, que son objeto de una investigación publicada recientemente en la revista Materiales biográficos de hoy., puede proporcionar un camino para nuevos métodos de biominería. Los autores también dijeron que ven los resultados como un paso hacia el uso de microorganismos en la impresión 3D a gran escala o la fabricación aditiva a una escala útil en ingeniería civil en entornos extremos, como los de la Luna y Marte.

«A través de un proceso biológico que evolucionó a lo largo de millones de años, los pequeños mineros excavan rocas y extraen los minerales necesarios para funciones fisiológicas, como la fotosíntesis, que les permiten sobrevivir», dijo el autor correspondiente David Kisailus, profesor de materiales en la UCI. . Ciencia e Ingenieria. «¿Podrían los humanos usar un enfoque bioquímico similar para obtener y manipular minerales que encontramos valiosos? Este proyecto nos ha llevado por ese camino».

El Desierto de Atacama es uno de los lugares más secos e inhóspitos de la Tierra croococcidiopsisLas cianobacterias encontradas en muestras de yeso recolectadas allí por el equipo de Johns Hopkins, dijo Jocelyn DeRugero, profesora asistente de biología en la Universidad de Baltimore, habían desarrollado «las adaptaciones más asombrosas para sobrevivir en su hábitat rocoso».

«Algunos de estos rasgos incluyen la producción de clorofila, que absorbe fotones al rojo vivo, y la capacidad de extraer agua y hierro de los minerales circundantes», agregó.

Usando microscopios electrónicos avanzados e instrumentos espectroscópicos, los investigadores encontraron evidencia de microbios en el yeso al observar cómo se transformaban los minerales en su interior.

«Las células de cianobacterias mejoraron la disolución de magnetita y la disolución de hierro a través de la producción de abundantes materiales poliméricos extracelulares, que conducen a la disolución y oxidación de magnetita a hematita», dijo DeRugero. Producción de ácido de hierro [iron-binding compounds generated by bacteria and fungi] Se mejoró en presencia de nanopartículas de magnetita, lo que sugiere su uso por parte de las cianobacterias para obtener hierro a partir de magnetita. «

Kisailus dijo que la forma en que los microorganismos procesan los minerales en su casa abandonada lo hizo pensar en nuestras propias prácticas de minería y fabricación.

«Cuando extraemos minerales, a menudo terminamos usando minerales que pueden presentar desafíos para la extracción de metales preciosos», dijo. «A menudo necesitamos someter estos materiales a un procesamiento extremo para convertirlos en algo de valor. Esta práctica puede ser costosa tanto desde el punto de vista financiero como ambiental».

Kisailus dijo que ahora está considerando un enfoque bioquímico utilizando isótopos naturales o sintéticos de hierro ferroso, enzimas y otras secreciones para procesar minerales donde actualmente solo funciona una gran trituradora mecánica. Y dando un salto desde aquí, dijo que también podría haber una manera de hacer que los microorganismos usen capacidades bioquímicas similares para producir un material de ingeniería bajo demanda en lugares inapropiados.

«Lo llamo ‘moldear la luna’ en lugar de terraformar”, dijo Kiselos. «Si quieres construir algo en la luna, en lugar de incurrir en el gasto de que la gente lo haga, podríamos tener sistemas robóticos de impresión 3D y luego reconfigurar microbios. en algo valioso. Esto se puede hacer sin poner en peligro la vida humana».

Agregó que los humanos no siempre necesitan usar los enfoques de Edison para aprender a hacer las cosas.

«Este es el tema principal del laboratorio de materiales biomiméticos y nanoestructurados. ¿Por qué tratar de reinventar la rueda cuando la naturaleza la ha perfeccionado durante cientos de millones de años?» dijo Kisselos. «Solo tenemos que extraer los secretos y planos de lo que hace la naturaleza y aplicarlos o adaptarlos a lo que necesitamos».

Este proyecto fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército y apoyado por herramientas puestas a disposición por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. El equipo de investigación también incluyó a Wei Huang, un científico postdoctoral en el grupo Kisselos Lab. Taifeng Wang, Ph.D, quien recientemente se graduó de UCI y ahora trabaja en Intel; y Cesar Pérez Fernandez en el Departamento de Biología de la Universidad Johns Hopkins.