Der biochemische Prozess, durch den Cyanobakterien Nährstoffe aus Gestein in der chilenischen Atacama-Wüste gewinnen, hat Ingenieure der University of California, Irvine, dazu inspiriert, über neue Möglichkeiten nachzudenken, wie Mikroben Menschen helfen könnten, Kolonien auf dem Mond und dem Mars zu bauen.
Forscher des Department of Materials Science and Engineering der UCI und des Department of Biology der Johns Hopkins University nutzten hochauflösende Elektronenmikroskopie und fortschrittliche spektroskopische Bildgebungstechniken, um ein genaues Verständnis davon zu erlangen, wie Mikroorganismen sowohl natürlich vorkommende Mineralien als auch synthetisch hergestellte Nanokeramiken modifizieren. Ein Schlüsselfaktor ist laut den Wissenschaftlern, dass Cyanobakterien Biofilme produzieren, die magnetische Eisenoxidpartikel in Gipsgesteinen auflösen und anschließend den Magnetit in oxidierten Hämatit umwandeln.
Die Ergebnisse des Teams, die Gegenstand eines kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels sind Materialien heute Bio, könnte einen Weg für neue biomimetische Bergbaumethoden bieten. Die Autoren sagten auch, dass sie die Ergebnisse als einen Schritt hin zur Verwendung von Mikroorganismen im großflächigen 3D-Druck oder in der additiven Fertigung in einem Maßstab sehen, der im Bauwesen in rauen Umgebungen wie denen auf dem Mond und dem Mars nützlich ist.
„Durch einen biologischen Prozess, der sich über Millionen von Jahren entwickelt hat, graben diese winzigen Bergleute Gestein aus und extrahieren die Mineralien, die für die physiologischen Funktionen wie die Photosynthese unerlässlich sind, die ihr Überleben ermöglichen“, sagte der korrespondierende Autor David Kisailus, UCI-Professor für Materialien Wissenschaft und Ingenieurswesen. „Könnten Menschen einen ähnlichen biochemischen Ansatz verwenden, um die Mineralien zu gewinnen und zu manipulieren, die wir für wertvoll halten? Dieses Projekt hat uns auf diesen Weg geführt.“
Die Atacama-Wüste ist einer der trockensten und unwirtlichsten Orte der Erde, aber Chroococcidiopsisein Cyanobakterium, das in Gipsproben gefunden wurde, die dort vom Johns-Hopkins-Team gesammelt wurden, hat „die erstaunlichsten Anpassungen entwickelt, um seinen felsigen Lebensraum zu überleben“, sagte Co-Autorin Jocelyne DiRuggiero, außerordentliche Professorin für Biologie an der Universität von Baltimore.
„Einige dieser Eigenschaften umfassen die Produktion von Chlorophyll, das fernrote Photonen absorbiert, und die Fähigkeit, Wasser und Eisen aus umgebenden Mineralien zu extrahieren“, fügte sie hinzu.
Unter Verwendung fortschrittlicher Elektronenmikroskope und spektroskopischer Instrumente fanden die Forscher Hinweise auf die Mikroben im Gips, indem sie beobachteten, wie die darin enthaltenen Mineralien umgewandelt wurden.
„Cyanobakterienzellen förderten die Auflösung von Magnetit und die Solubilisierung von Eisen, indem sie reichlich extrazelluläre polymere Substanzen produzierten, was zur Auflösung und Oxidation von Magnetit zu Hämatit führte“, sagte DiRuggiero. „Produktion von Siderophoren [iron-binding compounds generated by bacteria and fungi] wurde in Gegenwart von Magnetit-Nanopartikeln verstärkt, was darauf hindeutet, dass sie von den Cyanobakterien verwendet werden, um Eisen aus Magnetit zu gewinnen.
Kisailus sagte, die Art und Weise, wie die Mikroorganismen in ihrer trostlosen Heimat Metalle verarbeiten, habe ihn dazu gebracht, über unsere eigenen Bergbau- und Herstellungspraktiken nachzudenken.
„Wenn wir nach Mineralien abbauen, landen wir oft bei Erzen, die eine Herausforderung für die Gewinnung wertvoller Metalle darstellen können“, sagte er. „Wir müssen diese Erze häufig einer extremen Verarbeitung unterziehen, um sie in etwas Wertvolles umzuwandeln. Diese Praxis kann finanziell und ökologisch kostspielig sein.“
Kisailus sagte, er denke jetzt über einen biochemischen Ansatz nach, der natürliche oder synthetische Analoga zu Siderophoren, Enzymen und anderen Sekreten verwendet, um Mineralien zu manipulieren, wo derzeit nur ein großer mechanischer Brecher funktioniert. Und von hier aus sagte er, dass es auch einen Weg geben könnte, Mikroorganismen dazu zu bringen, ähnliche biochemische Fähigkeiten einzusetzen, um ein technisches Material nach Bedarf an weniger als geeigneten Orten zu produzieren.
„Ich nenne es Mondformung statt Terraforming“, sagte Kisailus. „Wenn Sie etwas auf dem Mond bauen wollen, könnten wir, anstatt die Kosten dafür zu tragen, dass Menschen es tun, Robotersysteme 3D-Druckmedien haben und dann die Mikroben es in etwas Wertvolles umkonfigurieren lassen. Dies könnte ohne Gefährdung erfolgen Menschenleben.“
Er fügte hinzu, dass Menschen nicht immer Edisons Ansätze verwenden müssen, um herauszufinden, wie man Dinge tut.
„Das ist das Hauptthema meines Labors für Biomimetik und Nanostrukturierte Materialien. Warum versuchen, das Rad neu zu erfinden, wenn die Natur es über Hunderte von Millionen Jahren perfektioniert hat?“ sagte Kisailos. „Wir müssen nur die Geheimnisse und Blaupausen für das, was die Natur tut, extrahieren und anwenden oder sie an das anpassen, was wir brauchen.“
Mehr Informationen:
Wei Huang et al, Eisenaufnahme und Mineralumwandlung durch Cyanobakterien, die in extremen Umgebungen leben, Materialien heute Bio (2022). DOI: 10.1016/j.mtbio.2022.100493