Οι επιστήμονες ηλεκτρίζουν τη βιολογία μετατρέποντας το ρεύμα στο χημικό καύσιμο των κυττάρων

Οι επιστήμονες ηλεκτρίζουν τη βιολογία μετατρέποντας το ρεύμα στο χημικό καύσιμο των κυττάρων

Χρονική σήμανση: 31 Αυγούστου 2023 10:46 π.μ.

Τα κύτταρα όλων των ζωντανών οργανισμών τροφοδοτούνται από το ίδιο χημικό καύσιμο: τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP). Τώρα, οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο να παράγουν ATP απευθείας από ηλεκτρική ενέργεια, η οποία θα μπορούσε να υπερτροφοδοτήσει τις βιοτεχνολογικές διαδικασίες που αναπτύσσουν τα πάντα, από τρόφιμα μέχρι καύσιμα και φαρμακευτικά προϊόντα.

Η διασύνδεση της σύγχρονης τεχνολογίας που βασίζεται στα ηλεκτρονικά με τη βιολογία είναι εμφανώς δύσκολη. Ένα σημαντικό εμπόδιο είναι ότι ο τρόπος με τον οποίο τροφοδοτούνται είναι πολύ διαφορετικός. Ενώ τα περισσότερα gadget μας λειτουργούν με ηλεκτρόνια, η φύση βασίζεται στην ενέργεια που απελευθερώνεται όταν σπάνε οι χημικοί δεσμοί του ATP. Η εύρεση τρόπων μετατροπής μεταξύ αυτών των δύο πολύ διαφορετικών νομισμάτων ενέργειας θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για μια σειρά από βιοτεχνολογίες.

Γενετικά τροποποιημένα μικρόβια χρησιμοποιούνται ήδη για την παραγωγή διαφόρων χημικών υψηλής αξίας και θεραπευτικά χρήσιμες πρωτεΐνες, και υπάρχουν ελπίδες ότι θα μπορούσαν σύντομα να βοηθήσουν στη δημιουργία πιο πράσινων καύσιμα για τζετ, διασπούν τα πλαστικά απόβλητα και ακόμη και καλλιεργούν νέα τρόφιμα σε γιγάντιους βιοαντιδραστήρες. Αλλά αυτή τη στιγμή, αυτές οι διαδικασίες τροφοδοτούνται μέσω μιας αναποτελεσματικής διαδικασίας ανάπτυξης βιομάζας, μετατροπής της σε ζάχαρη και τροφοδοσίας της στα μικρόβια.

Τώρα, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Max Planck για την Επίγεια Μικροβιολογία στη Γερμανία έχουν επινοήσει έναν πολύ πιο άμεσο τρόπο για να ενεργοποιήσουν τις βιολογικές διεργασίες. Έχουν δημιουργήσει ένα τεχνητό μεταβολικό μονοπάτι που μπορεί να μετατρέψει απευθείας την ηλεκτρική ενέργεια σε ATP χρησιμοποιώντας ένα κοκτέιλ ενζύμων. Και το πιο σημαντικό, η διαδικασία λειτουργεί in vitro και δεν βασίζεται στον εγγενή μηχανισμό των κυττάρων.

"Η απευθείας τροφοδοσία ηλεκτρικής ενέργειας σε χημικές και βιοχημικές αντιδράσεις είναι μια πραγματική ανακάλυψη», δήλωσε ο Tobias Erb, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας. δήλωσε σε δελτίο Τύπου. «Αυτό θα επιτρέψει τη σύνθεση πολύτιμων πόρων πλούσιων σε ενέργεια όπως το άμυλο, τα βιοκαύσιμα ή οι πρωτεΐνες από απλά κυτταρικά δομικά στοιχεία — στο μέλλον ακόμη και από διοξείδιο του άνθρακα. Ίσως είναι ακόμη δυνατό να χρησιμοποιηθούν βιολογικά μόρια για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας».

Στη φύση, το ATP και το αδελφό του μόριο διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) μπορούν να θεωρηθούν σχεδόν σαν μπαταρίες. Το ATP είναι σαν μια φορτισμένη μπαταρία, που αποθηκεύει ενέργεια στους χημικούς δεσμούς της. Εάν ένα κύτταρο χρειάζεται να ξοδέψει αυτή την ενέργεια, αποκόπτει μία of Οι τρεις φωσφορικές ομάδες του μορίου και η ενέργεια που δεσμεύεται σε αυτόν τον χημικό δεσμό μπορούν στη συνέχεια να τροφοδοτήσουν κάποια κυτταρική διαδικασία.

Αυτή η διαδικασία μετατρέπει το μόριο ATP σε ADP, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως άδεια μπαταρία. Για να το επαναφορτίσει, το κύτταρο χρειάζεται να χρησιμοποιήσει ενέργεια από τα τρόφιμα ή τη φωτοσύνθεση για να προσθέσει μια ομάδα φωσφορικών αλάτων πίσω στο μόριο ADP, μετατρέποντάς το ξανά σε ATP.

Αλλά αυτή η διαδικασία επαναφόρτισης βασίζεται σε μια πολύπλοκη αλληλουχία αντιδράσεων που περιλαμβάνουν διάφορα πρωτεϊνικά σύμπλοκα ενσωματωμένα στην κυτταρική μεμβράνη. Ο επανασχεδιασμός αυτού του συστήματος ώστε να λειτουργεί έξω από ένα κύτταρο είναι πρόκληση, επειδή απαιτεί προσεκτικά τον προσανατολισμό των διαφόρων πρωτεϊνών σε μια τεχνητή μεμβράνη, γεγονός που το καθιστά τόσο λεπτό όσο και εύθραυστο.

Η νέα προσέγγιση, που περιγράφεται στο α χαρτί σε Μονάδα ενέργειας ή έργου, είναι πολύ πιο απλό. Ονομάζεται «κύκλος ΑΑΑ», περιλαμβάνει μόνο τέσσερα ένζυμα που αλληλεπιδρούν σε ένα διάλυμα. Το βασικό συστατικό που τα έκανε όλα δυνατά ήταν η ανακάλυψη ενός ενζύμου που ονομάζεται οξειδορεδουκτάση αλδεΰδης φερρεδοξίνης (AOR) σε ένα βακτήριο που ανακαλύφθηκε πρόσφατα που ονομάζεται Aromaticum aromatoleum, που είναι σε θέση να διασπάσει το πετρέλαιο.

Οι επιστήμονες ηλεκτρίζουν τη βιολογία μετατρέποντας το ρεύμα στο χημικό καύσιμο των κυττάρων PlatoBlockchain Data Intelligence. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.
Πίστωση εικόνας: MPI f. Επίγεια Μικροβιολογία/ Erb

Αυτό το ένζυμο είναι σε θέση να πάρει τα ηλεκτρόνια από ένα ηλεκτρόδιο και να δεσμεύσει την ενέργειά τους σε έναν δεσμό αλδεΰδης που προστίθεται σε μια πρόδρομη χημική ουσία που ονομάζεται προπιονικό. Αυτό στη συνέχεια διαχωρίζεται μέσω τριών ακόμη ενζύμων που δρουν στο χημικό και τελικά χρησιμοποιούν την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε αυτό για να μετατρέψουν το ADP σε ATP. Στο τέλος, ένα μόριο προπιονικού ξεπροβάλλει που μπορεί στη συνέχεια να τροφοδοτηθεί πίσω στον κύκλο.

"Ο απλός κύκλος ΑΑΑ είναι μια έξυπνη και κομψή προσέγγιση… που είναι πολύ πιο απλή από το πώς η βιολογία φτιάχνει φυσικά το ATP», Drew Endy, συνθετική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. είπε Επιστήμη. Πρόσθεσε ότι θα μπορούσε να είναι ένας βασικός παράγοντας για να καταστεί δυνατή η «ηλεκτροβιοσύνθεση», η ιδέα της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας για την άμεση τροφοδοσία της σύνθεσης χρήσιμων χημικών ουσιών από τα κύτταρα.

Οι ερευνητές λένε ότι η διαδικασία χρειάζεται ακόμα δουλειά, καθώς τα ένζυμα είναι ασταθή και μπορούν να μετατρέψουν μόνο μια μικρή ποσότητα ενέργειας. Αλλά εάν η ιδέα μπορεί να βελτιωθεί και να κλιμακωθεί, θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την εκτέλεση όλων των ειδών ισχυρών βιοτεχνολογικών διαδικασιών για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όχι μόνο να τις καταστήσει πιο πράσινες αλλά και να επεκταθούν σημαντικάING την ποσότητα ενέργειας που μπορούν να αξιοποιήσουν.

Image Credit: Günther / Pixabay

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας