Lepsze ogniwa paliwowe wykorzystujące bakterie

Co by było, gdybyś mógł zasilać swój dom ściekami? Albo zasilać rozrusznik serca z poziomem cukru we krwi, a nie z tradycyjną baterią? Naukowcy mają nadzieję, że mikrobiologiczne ogniwa paliwowe – urządzenia wykorzystujące bakterie do generowania elektryczności – mogą pewnego dnia urzeczywistnić tę wizję.

Naukowcy mają nadzieję zaprojektować nowe szczepy bakterii, które wydajniej produkują energię.

Podczas gdy typowe ogniwa paliwowe wykorzystują wodór jako paliwo, oddzielając elektrony w celu wytworzenia elektryczności, bakterie mogą wykorzystywać jako paliwo szeroką gamę składników odżywczych. Niektóre gatunki, takie jak Shewanella oneidensis oraz Rhodoferax ferrireducens , zamień te składniki odżywcze bezpośrednio w elektrony. Rzeczywiście, naukowcy stworzyli już eksperymentalne mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, które mogą odprowadzać glukozę i ścieki. Chociaż te mikroskopijne organizmy są niezwykle wydajne w wytwarzaniu energii, nie wytwarzają jej wystarczająco dużo do praktycznych zastosowań.

Tim Gardner , bioinżynier z Boston University (i członek TR35 2004), opracował nową technikę zrozumienia sieci genów, które regulują reakcje chemiczne zachodzące w komórkach bakteryjnych. Powstała mapa będzie postępem w dziedzinie biologii syntetycznej: dążeniu do projektowania i budowania systemów biologicznych, które mogą pełnić określone funkcje. Zespół Gardnera ma na celu okiełznanie systemu kontroli genetycznej do stworzenia bakterii, które mogą wydajniej wytwarzać energię.

W ramach testu swojej techniki Gardner i współpracownicy przeanalizowali sieć regulacyjną Escherichia coli , pospolita bakteria często wykorzystywana w badaniach naukowych. Naukowcy zidentyfikowali ponad 200 regulatorów genów, które można wykorzystać w obwodach biologii syntetycznej. I teraz stosują tę technologię, aby Shewanella bakteria.

Technology Review przeprowadził wywiad z Timem Gardnerem na temat jego planów podczas Konferencja Biologia syntetyczna 2.0 , który odbył się w tym tygodniu na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

Przegląd technologii : Jaki jest potencjał mikrobiologicznych ogniw paliwowych?

Tim Gardner : Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe naprawdę mogą się zdarzyć, ale mamy sposoby na poprawę mocy wyjściowej. W tej chwili produkcja jest tak niska, że ​​technologia prawdopodobnie nie będzie w stanie generować energii dla domów i samochodów. Ale istnieją pewne zastosowania, w których ogniwa paliwowe mogą być odpowiednie. Niektóre urządzenia nie wymagają dużej mocy lub mogą korzystać z możliwości korzystania z nietypowych źródeł paliwa – na przykład implantu medycznego, który pobiera energię z krwi i nigdy nie musi być ładowany. Albo roboty w terenie, które mogą chwytać roślinę i przekształcać ją w energię.

DZIECI : Jak ulepszysz projektowanie bakterii w naturze?

TG : Chcemy racjonalnie zaprojektować komórkę, manipulując istniejącą maszynerią. Wiele wczesnych prac w biologii syntetycznej polegało na próbie zbudowania kompletnych urządzeń od podstaw. Ale zdaliśmy sobie sprawę, że jesteśmy zasadniczo ograniczeni, stosując całkowicie syntetyczne podejście – próbowaliśmy zbudować to, co ewolucja zbudowała przez miliony lat. Więc powiedzieliśmy, spróbujmy poprawić to, co już zbudowała ewolucja.

DZIECI : Czym twoje podejście różni się od tradycyjnych technik biologii molekularnej?

TG : Ludzie od lat modyfikują systemy genetyczne. Ale w większości jest to podejście oparte na próbach i błędach. Dostosowują coś i widzą, co się stanie. Chcieliśmy wprowadzić perspektywę na poziomie systemu, abyśmy mogli podejść do problemu jak inżynier. Aby to zrobić, musieliśmy dowiedzieć się więcej o istniejących obwodach, więc zaczęliśmy mapować genetycznie.

Skupiamy się na mapowaniu obwodów regulacyjnych [sieci genów kontrolujących reakcje chemiczne zachodzące w komórce]. Jeśli próbujesz rozgryźć obwody domu, idziesz do wyłącznika i włączasz i wyłączasz obwody, szukając obwodu sterującego łazienką lub kuchnią. Podobnie postępujemy z bakteriami, ale jest to trochę bardziej bałaganiarskie. Stresujemy bakterie na różne sposoby, różnymi chemikaliami lub ekstremalnymi temperaturami, a następnie obserwujemy, jak reaguje każdy gen. Jeśli zrobisz to setki razy, możesz poszukać genów, które zmieniają się razem. Na przykład, jeśli widzisz różne geny, których ekspresja zmienia się w ten sam sposób w różnych warunkach, możemy wywnioskować, że te geny są powiązane. Możemy wtedy zidentyfikować interakcje regulacyjne genów i zmapować sieć.

DZIECI : Co zrobisz z tymi informacjami?

TG : Mamy nadzieję na zbudowanie modeli regulatorowych całego genomu w nowych organizmach, które mogą być bardzo potężne. Planujemy wypróbować to na organizmach produkujących energię elektryczną, które wytwarzają energię elektryczną bezpośrednio ze źródeł węgla.

Połączymy sieć regulacyjną z modelem sieci metabolicznej [mapa reakcji metabolicznych komórki], w którym odbywa się prawdziwy biznes przekształcania węgla w energię elektryczną. Następnie spróbujemy przewidzieć, co się stanie, jeśli dostosujemy geny lub składniki odżywcze. Postaramy się zdecydować, czy iw jaki sposób możemy zwiększyć moc wyjściową lub termodynamiczną wydolność organizmu.

Zrozumienie tych sieci może również pomóc naukowcom w budowaniu od podstaw sztucznych obwodów. Naukowcy zbudowali już szereg maszyn biologicznych, takich jak detektory toksyn czy kamery bakteryjne . To była zgrabna inżynieria obwodów, ale większość tych urządzeń jest zbudowana z zaledwie trzech lub czterech części składowych. Zrozumienie regulatorów genów poszerzy listę części, które można wykorzystać, ponieważ naukowcy zrozumieją, jak te części wpłyną na komórkę.

ukryć