Geresni kuro elementai naudojant bakterijas

O kas, jei galėtumėte savo namus aprūpinti nuotekomis? Arba paleiskite širdies stimuliatorių naudodami cukraus kiekį kraujyje, o ne tradicinę bateriją? Mokslininkai tikisi, kad mikrobiniai kuro elementai – įrenginiai, naudojantys bakterijas elektrai gaminti – vieną dieną šią viziją gali paversti realybe.

Mokslininkai tikisi sukurti naujas bakterijų padermes, kurios efektyviau gamina energiją.

Nors įprasti kuro elementai kaip kurą naudoja vandenilį, atskirdami elektronus, kad sukurtų elektrą, bakterijos gali naudoti daugybę maistinių medžiagų kaip kurą. Kai kurios rūšys, pvz Shewanella oneidensis ir Rhodoferax ferrireducens , paverskite šias maistines medžiagas tiesiai į elektronus. Iš tiesų, mokslininkai jau sukūrė eksperimentinius mikrobinius kuro elementus, kurie gali išleisti gliukozę ir nuotekas. Nors šie mikroskopiniai organizmai nepaprastai efektyviai gamina energiją, praktiniam naudojimui jos neužtenka.

Timas Gardneris Bostono universiteto bioinžinierius (ir 2004 m. TR35 narys) sukūrė naują metodą, skirtą suprasti genų tinklus, reguliuojančius bakterijų ląstelėse vykstančias chemines reakcijas. Gautas žemėlapis bus pažanga sintetinės biologijos srityje: siekis sukurti ir sukurti biologines sistemas, kurios galėtų atlikti specifines funkcijas. Gardnerio komanda siekia panaudoti genetinės kontrolės sistemą, kad sukurtų bakterijas, kurios gali efektyviau gaminti energiją.

Bandydami savo techniką, Gardneris ir bendradarbiai išanalizavo reguliavimo tinklą Escherichia coli , dažna bakterija, dažnai naudojama tyrimuose. Tyrėjai nustatė daugiau nei 200 genų reguliatorių, kurie galėtų būti naudojami sintetinės biologijos grandinėse. Ir dabar jie taiko technologiją Shewanella bakterijos.

„Technology Review“ apklausė Timą Gardnerį apie jo planus Sintetinės biologijos 2.0 konferencija , vykusią šią savaitę Kalifornijos universitete Berklyje.

Technologijų apžvalga : Koks yra mikrobinių kuro elementų potencialas?

Timas Gardneris : Mikrobiniai kuro elementai tikrai gali atsirasti, bet turime būdų, kaip pagerinti galią. Šiuo metu našumas yra toks mažas, kad mažai tikėtina, kad ši technologija galės gaminti energiją namams ir automobiliams. Tačiau yra keletas programų, kurioms kuro elementai gali būti tinkami. Kai kuriems įrenginiams nereikia daug energijos arba gali būti naudinga galimybė naudoti neįprastus degalų šaltinius – pavyzdžiui, medicininį implantą, kuris energiją gauna iš kraujo ir kurio niekada nereikia įkrauti. Arba robotai lauke, galintys patraukti augalą ir paversti jį energija.

VAIKAI : Kaip pagerinsite gamtos bakterijų dizainą?

TG : Norime racionaliai suprojektuoti ląstelę manipuliuodami esama mašina. Didžioji dalis ankstyvųjų sintetinės biologijos darbų buvo bandymas sukurti visus įrenginius nuo nulio. Tačiau supratome, kad esame iš esmės riboti, naudodami visiškai sintetinį metodą – bandėme sukurti tai, ką evoliucija sukūrė per milijonus metų. Taigi mes pasakėme, pabandykime pakoreguoti jau sukurtą evoliuciją.

VAIKAI : Kuo jūsų požiūris skiriasi nuo tradicinių molekulinės biologijos metodų?

TG : Žmonės daugelį metų modifikavo genetines sistemas. Tačiau dažniausiai tai yra bandymų ir klaidų metodas. Jie kažką pakoreguoja ir žiūri, kas atsitiks. Norėjome pateikti sistemos lygio perspektyvą, kad galėtume spręsti problemą kaip inžinieriai. Norėdami tai padaryti, turėjome daugiau žinoti apie esamą grandinę, todėl pradėjome daryti genetinį kartografavimą.

Mes sutelkėme dėmesį į reguliavimo grandinių (genų, kontroliuojančių ląstelėje vykstančias chemines reakcijas) sudarymą. Jei bandote išsiaiškinti namo grandinę, pereikite prie grandinės pertraukiklio ir įjunkite bei išjunkite grandines, ieškodami grandinės, kuri valdo vonios kambarį arba virtuvę. Panašiai elgiamės su bakterijomis, bet tai yra šiek tiek netvarkingesnė. Bakterijas patiriame įvairiais būdais, naudodami skirtingas chemines medžiagas ar ekstremalias temperatūras, o tada žiūrime, kaip reaguoja kiekvienas genas. Jei tai darysite šimtus kartų, galite ieškoti genų, kurie keičiasi kartu. Pavyzdžiui, jei matote skirtingus genus, kurių ekspresija skirtingomis sąlygomis keičiasi taip pat, galime daryti išvadą, kad tie genai yra susiję. Tada galime nustatyti genų reguliavimo sąveiką ir nustatyti tinklą.

VAIKAI : Ką darysite su šia informacija?

TG : Mes tikimės naujuose organizmuose surinkti viso genomo reguliavimo modelius, kurie gali būti labai galingi. Planuojame tai išbandyti su elektrą gaminančiais organizmais, kurie elektrą gamina tiesiogiai iš anglies šaltinių.

Reguliavimo tinklą sujungsime su metabolinio tinklo modeliu [ląstelės metabolinių reakcijų žemėlapiu], kur vyksta tikrasis anglies pavertimo elektra verslas. Tada bandysime nuspėti, kas nutiks, jei pakeisime genus ar maistines medžiagas. Bandysime nuspręsti, ar ir kaip galėtume padidinti organizmo galią ar termodinaminį efektyvumą.

Šių tinklų supratimas taip pat galėtų padėti mokslininkams sukurti dirbtines grandines nuo nulio. Mokslininkai jau sukūrė daugybę biologinių mašinų, tokių kaip toksinų detektorius ar bakterijų kameras . Tai buvo tvarkinga grandinės inžinerija, tačiau dauguma šių įrenginių yra pagaminti naudojant tik tris ar keturias sudedamąsias dalis. Genų reguliatorių supratimas praplės dalių, kurias galima naudoti, sąrašą, nes mokslininkai supras, kaip dalys paveiks ląstelę.

paslėpti