211service.com
Lepší palivové články využívající bakterie
Co kdybyste mohli napájet svůj dům kanalizací? Nebo provozujte svůj kardiostimulátor s krevním cukrem spíše než s tradiční baterií? Vědci doufají, že mikrobiální palivové články – zařízení využívající bakterie k výrobě elektřiny – by jednoho dne mohly tuto vizi uskutečnit.
Vědci doufají, že se jim podaří navrhnout nové kmeny bakterií, které produkují energii efektivněji.
Zatímco typické palivové články využívají jako palivo vodík, který odděluje elektrony k výrobě elektřiny, bakterie mohou jako palivo využívat širokou škálu živin. Některé druhy, jako např Shewanella oneidensis a Rhodoferax ferrireducens přeměňují tyto živiny přímo na elektrony. Vědci již skutečně vytvořili experimentální mikrobiální palivové články, které mohou odtékat glukózou a odpadními vodami. Přestože jsou tyto mikroskopické organismy pozoruhodně účinné při výrobě energie, nevydělávají jí dostatek pro praktické aplikace.
Tim Gardner , bioinženýr z Bostonské univerzity (a člen TR35 z roku 2004), vyvinul novou techniku pro pochopení sítí genů, které regulují chemické reakce probíhající v bakteriálních buňkách. Výsledná mapa bude pokrokem v oblasti syntetické biologie: ve snaze navrhnout a vybudovat biologické systémy, které mohou plnit specifické funkce. Gardnerův tým si klade za cíl využít systém genetické kontroly k inženýrství bakterií, které mohou vyrábět energii efektivněji.
Jako zkušební provoz své techniky Gardner a spolupracovníci analyzovali regulační síť Escherichia coli , běžná bakterie často používaná ve výzkumných studiích. Vědci identifikovali více než 200 genových regulátorů, které by mohly být použity v obvodech syntetické biologie. A nyní aplikují technologii na Shewanella bakterie.
Technology Review vyzpovídala Tima Gardnera o jeho plánech během Konference Syntetická biologie 2.0 , který se tento týden konal na Kalifornské univerzitě v Berkeley.
Recenze technologie : Jaký je potenciál mikrobiálních palivových článků?
Tim Gardner : Mikrobiální palivové články by se opravdu mohly stát, ale máme způsoby, jak zlepšit výkon. Právě teď je výstup tak nízký, že je nepravděpodobné, že by tato technologie byla schopna vyrábět energii pro domácnosti a automobily. Existují však některé aplikace, pro které by mohly být palivové články vhodné. Některá zařízení nepotřebují moc energie nebo by mohla těžit ze schopnosti používat neobvyklé zdroje paliva – například lékařský implantát, který získává energii z krve a nikdy se nemusí nabíjet. Nebo roboty v terénu, kteří by mohli uchopit rostlinu a převést ji na energii.
DĚTI : Jak vylepšíte přírodní design bakterií?
TG : Chceme racionálně navrhnout buňku manipulací se stávajícím strojním zařízením. Spousta raných prací v syntetické biologii spočívala ve snaze postavit kompletní zařízení od nuly. Ale uvědomili jsme si, že jsme zásadně omezeni použitím zcela syntetického přístupu – snažili jsme se vybudovat to, co evoluce vybudovala miliony let. Tak jsme si řekli, zkusme vyladit to, co již evoluce vytvořila.
DĚTI : Jak se váš přístup liší od tradičních technik molekulární biologie?
TG : Lidé modifikovali genetické systémy po celá léta. Ale z velké části je to metoda pokus-omyl. Něco upraví a uvidí, co se stane. Chtěli jsme přinést perspektivu systémové úrovně, abychom k problému mohli přistupovat jako inženýr. Abychom to mohli udělat, museli jsme vědět více o existujících obvodech, a tak jsme začali dělat genetické mapování.
Zaměřili jsme se na mapování regulačních okruhů [síť genů, které řídí chemické reakce probíhající v buňce]. Pokud se snažíte zjistit obvody v domě, jdete k jističi a zapínáte a vypínáte obvody a hledáte obvod, který ovládá koupelnu nebo kuchyň. Děláme podobnou věc v bakteriích, ale je to trochu komplikovanější. Bakterie stresujeme různými způsoby, různými chemikáliemi nebo extrémními teplotami, a pak vidíme, jak každý gen reaguje. Pokud to uděláte stokrát, můžete hledat geny, které se mění společně. Pokud například vidíte různé geny, jejichž exprese se za různých podmínek mění stejným způsobem, můžeme usuzovat, že tyto geny jsou příbuzné. Poté můžeme identifikovat genové regulační interakce a zmapovat síť.
DĚTI : Co s těmito informacemi uděláte?
TG : Doufáme, že sestavíme modely regulace celého genomu v nových organismech, které by mohly být velmi silné. Plánujeme to vyzkoušet na organismech produkujících elektřinu, které vyrábějí elektřinu přímo z uhlíkových zdrojů.
Propojíme regulační síť s modelem metabolické sítě [mapa metabolických reakcí buňky], kde se odehrává skutečná činnost přeměny uhlíku na elektřinu. Pak se pokusíme předpovědět, co se stane, když vyladíme geny nebo živiny. Pokusíme se rozhodnout, zda a jak bychom mohli zvýšit výkon nebo termodynamickou účinnost organismu.
Pochopení těchto sítí by také mohlo vědcům pomoci vybudovat umělé obvody od nuly. Vědci už postavili řadu biologických strojů, jako jsou detektory toxinů nebo bakteriální kamery . Bylo to úhledné obvodové inženýrství, ale většina těchto zařízení je postavena pouze pomocí tří nebo čtyř součástí. Pochopení genových regulátorů rozšíří seznam částí, které lze použít, protože vědci pochopí, jak tyto části ovlivní buňku.