Bedre brændselsceller ved hjælp af bakterier

Hvad hvis du kunne forsyne dit hus med spildevand? Eller køre din pacemaker med blodsukker frem for et traditionelt batteri? Forskere håber, at mikrobielle brændselsceller - enheder, der bruger bakterier til at generere elektricitet - en dag kan gøre denne vision til virkelighed.

Forskere håber at kunne designe nye bakteriestammer, der producerer energi mere effektivt.

Mens typiske brændselsceller bruger brint som brændstof og adskiller elektroner for at skabe elektricitet, kan bakterier bruge en lang række næringsstoffer som brændstof. Nogle arter, som f.eks Shewanella oneidensis og Rhodoferax ferrireducens , omdanne disse næringsstoffer direkte til elektroner. Forskere har faktisk allerede skabt eksperimentelle mikrobielle brændselsceller, der kan løbe fra glukose og spildevand. Selvom disse mikroskopiske organismer er bemærkelsesværdigt effektive til at producere energi, gør de ikke nok ud af det til praktiske anvendelser.

Tim Gardner , en bioingeniør ved Boston University (og medlem af TR35 i 2004), har udviklet en ny teknik til at forstå de netværk af gener, der regulerer de kemiske reaktioner, der finder sted i bakterieceller. Det resulterende kort vil være et fremskridt for området syntetisk biologi: søgen efter at designe og bygge biologiske systemer, der kan udføre specifikke funktioner. Gardners team sigter mod at udnytte det genetiske kontrolsystem til at konstruere bakterier, der kan producere energi mere effektivt.

Som en testkørsel af deres teknik analyserede Gardner og kolleger det regulatoriske netværk af Escherichia coli , en almindelig bakterie, der ofte bruges i forskningsstudier. Forskerne identificerede mere end 200 genregulatorer, der kunne bruges i syntetiske biologiske kredsløb. Og de anvender nu teknologien til Shewanella bakterie.

Technology Review interviewede Tim Gardner om hans planer i løbet af Synthetic Biology 2.0 konference , afholdt i denne uge på University of California, Berkeley.

Teknologigennemgang : Hvad er potentialet for mikrobielle brændselsceller?

Tim Gardner : Mikrobielle brændselsceller kunne virkelig ske, men vi har en vej at gå for at forbedre udgangseffekten. Lige nu er outputtet så lavt, at teknologien næppe vil kunne generere strøm til boliger og biler. Men der er nogle applikationer, som brændselsceller kan være passende. Nogle enheder har ikke brug for meget strøm eller kan drage fordel af muligheden for at bruge usædvanlige brændstofkilder - et medicinsk implantat, der for eksempel får strøm fra blodet og aldrig behøver at blive opladet. Eller robotter i marken, der kunne få fat i en plante og omdanne den til strøm.

BØRN : Hvordan vil du forbedre naturens design af bakterier?

TG : Vi ønsker at designe en celle rationelt ved at manipulere eksisterende maskineri. Meget af det tidlige arbejde inden for syntetisk biologi var at forsøge at bygge komplette enheder fra bunden. Men vi indså, at vi var fundamentalt begrænset ved at bruge en fuldstændig syntetisk tilgang - vi forsøgte at bygge det, evolutionen havde bygget over millioner af år. Så vi sagde, lad os prøve at justere den evolution, der allerede er bygget.

BØRN : Hvordan adskiller din tilgang sig fra traditionelle molekylærbiologiske teknikker?

TG : Folk har ændret genetiske systemer i årevis. Men for det meste er det en trial-and-error-tilgang. De justerer noget og ser, hvad der sker. Vi ønskede at bringe et systemniveau perspektiv, så vi kunne gribe problemet an som en ingeniør. For at gøre det var vi nødt til at vide mere om det eksisterende kredsløb, så vi begyndte at lave genetisk kortlægning.

Vi har fokuseret på at kortlægge regulatoriske kredsløb [et netværk af gener, der styrer de kemiske reaktioner, der finder sted i cellen]. Hvis du forsøger at finde ud af kredsløbet i et hus, går du til strømafbryderen og slår kredsløb til og fra og leder efter kredsløbet, der styrer badeværelset eller køkkenet. Vi gør noget lignende i bakterier, men det er lidt mere rodet. Vi stresser bakterierne på forskellige måder, med forskellige kemikalier eller ekstreme temperaturer, og ser så, hvordan hvert gen reagerer. Hvis du gør dette hundredvis af gange, kan du lede efter gener, der ændrer sig sammen. For eksempel, hvis du ser forskellige gener, hvis udtryk ændres på samme måde under forskellige forhold, kan vi udlede, at disse gener er beslægtede. Vi kan derefter identificere genregulerende interaktioner og kortlægge netværket.

BØRN : Hvad vil du gøre med disse oplysninger?

TG : Vi har håb om at samle hele genomets reguleringsmodeller i nye organismer, som kan være meget kraftfulde. Vi planlægger at prøve det af på el-producerende organismer, som producerer elektricitet direkte fra kulstofkilder.

Vi vil koble det regulatoriske netværk med en model af det metaboliske netværk [et kort over cellens metaboliske reaktioner], som er hvor den egentlige forretning med at omdanne kulstof til elektricitet finder sted. Så vil vi forsøge at forudsige, hvad der vil ske, hvis vi justerer gener eller næringsstoffer. Vi vil forsøge at beslutte, om og hvordan vi kunne øge organismens kraftudgang eller den termodynamiske effektivitet.

At forstå disse netværk kan også hjælpe videnskabsmænd med at bygge kunstige kredsløb fra bunden. Forskere har allerede bygget en række biologiske maskiner, såsom toksindetektorer eller bakterielle kameraer . Det var pæn kredsløbskonstruktion, men de fleste af disse enheder er bygget med kun tre eller fire komponenter. Forståelse af genregulatorer vil udvide listen over dele, der kan bruges, fordi videnskabsmænd vil forstå, hvordan delene vil påvirke cellen.

skjule