Наночастицы палладия на основе бактериального белка
Ученые из Исследовательского центра Россендорфа (Forschungszentrum Rossendorf, FZR, Германия) использовали механизм выживания особых бактерий для получения твердых наночастиц из палладия. Крошечные частицы размером в несколько нанометров демонстрируют новые свойства, в частности, повышенную каталитическую активность. Это делает их перспективными для создания новых нанокатализаторов.
Для производства наночастиц из благородного металла палладия команда биологов из FZR использовала поверхностный белковый слой (S-слой) бактерии Bacillus sphaericus JG-A12. Этот слой позволяет бактерии выживать в экстремальных условиях урановых отвалов. S-слой имеет регулярную наноструктуру с порами одинакового размера.
Как это работает:
- На решетчатую матрицу S-слоя наносят соль палладия (ионы Pd(II)).
- С помощью водорода соль превращается в металлический палладий прямо в порах S-слоя.
- В результате образуются наночастицы (кластеры) металлического палладия, каждый из 50–80 атомов, упорядоченно расположенные на белковом слое.
Полученные преимущества:
- Новые свойства: Комбинированный металл-белковый слой демонстрирует новые физико-химические эффекты. Металл стабилизирует белок, а белок, в свою очередь, стабилизирует металл.
- Повышенная стабильность: S-слой остается стабильным при более высоких температурах и даже в кислой среде.
- Высокая активность: Наночастицы из-за своего размера имеют много атомов на поверхности, где могут связываться другие вещества, что критически важно для катализа.
Палладий широко используется как катализатор в химической промышленности и автомобилестроении. Нанокатализаторы на его основе могут ускорять химические реакции даже при низких температурах.
Дальнейшие цели ученых:
- Создание инновационных нанокатализаторов из других благородных металлов, например, золота.
- Контроль размера металлических наночастиц.
- Генно-инженерная модификация S-белка для создания материалов с новыми оптическими, магнитными и каталитическими свойствами.
Методы исследования:
Международная команда ученых (биологи и биофизики) использовала комплексный подход для расшифровки механизма связывания металла:
- Инфракрасная спектроскопия (д-р Карим Фахми) — определила химические группы, ответственные за стабильное взаимодействие металл-белок.
- Рентгеновская абсорбционная спектроскопия на синхротроне ESRF в Гренобле (д-р Мохамед Меррун, д-р Кристоф Хенниг) — позволила изучить атомное окружение палладия в биологической матрице.
- Расшифровка структуры S-слоя (д-р Йоханнес Рафф) — помогла определить участки белка, участвующие в связывании металла.
Результаты работы опубликованы в журнале Biophysical Journal (Karim Fahmy et al., "Secondary structure and Pd(II) coordination in S-layer proteins from Bacillus sphaericus studied by infrared and X-ray absorption spectroscopy").