Labākas kurināmā šūnas, izmantojot baktērijas

Ko darīt, ja jūs varētu nodrošināt savu māju ar notekūdeņiem? Vai arī darbiniet elektrokardiostimulatoru ar cukura līmeni asinīs, nevis tradicionālo akumulatoru? Zinātnieki cer, ka mikrobu kurināmā elementi – ierīces, kas izmanto baktērijas elektrības ražošanai – kādu dienu varētu šo redzējumu pārvērst par realitāti.

Zinātnieki cer izveidot jaunus baktēriju celmus, kas efektīvāk ražo enerģiju.

Lai gan tipiskās kurināmā elementi izmanto ūdeņradi kā degvielu, atdalot elektronus, lai radītu elektrību, baktērijas var izmantot dažādas barības vielas kā degvielu. Dažas sugas, piemēram Shewanella oneidensis un Rhodoferax ferrireducens , pārvērš šīs barības vielas tieši elektronos. Patiešām, zinātnieki jau ir izveidojuši eksperimentālas mikrobu degvielas šūnas, kas var izvadīt glikozi un notekūdeņus. Lai gan šie mikroskopiskie organismi ir ārkārtīgi efektīvi enerģijas ražošanā, tie praktiski neizmanto to pietiekami daudz.

Tims Gārdners Bostonas Universitātes bioinženieris (un 2004. gada TR35 dalībnieks) ir izstrādājis jaunu metodi, lai izprastu gēnu tīklus, kas regulē baktēriju šūnās notiekošās ķīmiskās reakcijas. Iegūtā karte būs sasniegums sintētiskās bioloģijas jomā: centieni izstrādāt un veidot bioloģiskas sistēmas, kas var veikt noteiktas funkcijas. Gārdnera komandas mērķis ir izmantot ģenētiskās kontroles sistēmu, lai izstrādātu baktērijas, kas var efektīvāk ražot enerģiju.

Lai pārbaudītu savu tehniku, Gārdners un kolēģi analizēja regulējošo tīklu Escherichia coli , izplatīta baktērija, ko bieži izmanto pētījumos. Pētnieki identificēja vairāk nekā 200 gēnu regulatorus, kurus varētu izmantot sintētiskās bioloģijas shēmās. Un viņi tagad pielieto tehnoloģiju Ševanella baktērijas.

Technology Review intervēja Timu Gārdneru par viņa plāniem Sintētiskā bioloģija 2.0 konference , kas šonedēļ notika Kalifornijas Universitātē Bērklijā.

Tehnoloģiju apskats : Kāds ir mikrobu kurināmā elementu potenciāls?

Tims Gārdners : Mikrobu kurināmā elementi patiešām varētu notikt, taču mums ir veidi, kā uzlabot jaudu. Šobrīd jauda ir tik zema, ka tehnoloģija, visticamāk, nespēs radīt enerģiju mājām un automašīnām. Bet ir dažas lietojumprogrammas, kurām degvielas šūnas varētu būt piemērotas. Dažām ierīcēm nav nepieciešama liela jauda, ​​vai tās var gūt labumu no iespējas izmantot neparastus degvielas avotus — piemēram, medicīnisko implantu, kas saņem strāvu no asinīm, un tas nekad nav jāuzlādē. Vai roboti uz lauka, kas varētu satvert augu un pārveidot to par enerģiju.

BĒRNI : Kā jūs uzlabosiet baktēriju dabisko dizainu?

TG : Mēs vēlamies racionāli izveidot šūnu, manipulējot ar esošajām iekārtām. Liela daļa no sākotnējā darba sintētiskajā bioloģijā bija mēģinājums izveidot pilnīgas ierīces no nulles. Taču mēs sapratām, ka esam fundamentāli ierobežoti, izmantojot pilnībā sintētisku pieeju — mēs mēģinājām izveidot to, ko evolūcija bija veidojusi miljoniem gadu. Tāpēc mēs teicām: mēģināsim pielāgot jau izveidoto evolūciju.

BĒRNI : Kā jūsu pieeja atšķiras no tradicionālajām molekulārās bioloģijas metodēm?

TG : Cilvēki gadiem ilgi ir modificējuši ģenētiskās sistēmas. Bet lielākoties tā ir izmēģinājumu un kļūdu pieeja. Viņi kaut ko pielabo un redz, kas notiek. Mēs vēlējāmies nodrošināt sistēmas līmeņa perspektīvu, lai mēs varētu pieiet problēmai kā inženieris. Lai to izdarītu, mums bija jāzina vairāk par esošajām shēmām, tāpēc mēs sākām veikt ģenētisko kartēšanu.

Mēs esam koncentrējušies uz regulējošo ķēžu kartēšanu [gēnu tīklu, kas kontrolē šūnā notiekošās ķīmiskās reakcijas]. Ja mēģināt izdomāt mājas shēmu, dodieties uz ķēdes pārtraucēju un ieslēdziet un izslēdziet ķēdes, meklējot ķēdi, kas kontrolē vannas istabu vai virtuvi. Mēs līdzīgi rīkojamies ar baktērijām, taču tas ir nedaudz nekārtīgāk. Mēs uzsveram baktērijas dažādos veidos, ar dažādām ķīmiskām vielām vai ekstremālām temperatūrām, un pēc tam redzam, kā katrs gēns reaģē. Ja jūs to darāt simtiem reižu, varat meklēt gēnus, kas mainās kopā. Piemēram, ja redzat dažādus gēnus, kuru ekspresija dažādos apstākļos mainās vienādi, mēs varam secināt, ka šie gēni ir saistīti. Pēc tam mēs varam identificēt gēnu regulējošo mijiedarbību un kartēt tīklu.

BĒRNI : Ko jūs darīsit ar šo informāciju?

TG : Mēs ceram apkopot veselus genoma regulējošos modeļus jaunos organismos, kas varētu būt ļoti spēcīgi. Mēs plānojam to izmēģināt uz elektrību ražojošiem organismiem, kas ražo elektroenerģiju tieši no oglekļa avotiem.

Mēs savienosim regulējošo tīklu ar vielmaiņas tīkla modeli [šūnas vielmaiņas reakciju karte], kas ir vieta, kur notiek reālā oglekļa pārvēršana elektroenerģijā. Pēc tam mēģināsim paredzēt, kas notiks, ja pielāgosim gēnus vai barības vielas. Mēģināsim izlemt, vai un kā mēs varētu palielināt organisma jaudu vai termodinamisko efektivitāti.

Šo tīklu izpratne varētu arī palīdzēt zinātniekiem izveidot mākslīgās shēmas no nulles. Zinātnieki jau ir izveidojuši vairākas bioloģiskas iekārtas, piemēram, toksīnu detektorus vai baktēriju kameras . Tā bija glīta shēmas inženierija, taču lielākā daļa šo ierīču ir izgatavotas, izmantojot tikai trīs vai četras sastāvdaļas. Izpratne par gēnu regulatoriem paplašinās to daļu sarakstu, kuras var izmantot, jo zinātnieki sapratīs, kā šīs daļas ietekmēs šūnu.

paslēpties