دانشمندان زیست شناسی را با تبدیل جریان به سوخت شیمیایی سلول ها برق می دهند

دانشمندان زیست شناسی را با تبدیل جریان به سوخت شیمیایی سلول ها برق می دهند

تمبر زمانی: 31 اوت 2023، 10:46 صبح

سلول های همه موجودات زنده از سوخت شیمیایی یکسانی تغذیه می کنند: آدنوزین تری فسفات (ATP). اکنون، محققان راهی برای تولید مستقیم ATP از الکتریسیته پیدا کرده‌اند که می‌تواند فرآیندهای بیوتکنولوژی را توربوشارژ کند که همه چیز از غذا گرفته تا سوخت و داروها را رشد می‌دهد.

ارتباط فناوری مدرن مبتنی بر الکترونیک با زیست شناسی بسیار دشوار است. یکی از موانع اصلی این است که نحوه تغذیه آنها بسیار متفاوت است. در حالی که بیشتر ابزارهای ما بر روی الکترون کار می کنند، طبیعت به انرژی آزاد شده در هنگام شکستن پیوندهای شیمیایی ATP متکی است. یافتن راه هایی برای تبدیل بین این دو ارز بسیار متفاوت انرژی می تواند برای بسیاری از بیوتکنولوژی ها مفید باشد.

میکروب های دستکاری شده ژنتیکی در حال حاضر برای تولید مواد شیمیایی با ارزش بالا و پروتئین های مفید درمانی مورد استفاده قرار می گیرند و امید وجود دارد که آنها به زودی به تولید سبزتر کمک کنند. سوخت موشک، ضایعات پلاستیکی را تجزیه می کند و حتی غذاهای جدید تولید می کند در بیوراکتورهای غول پیکر. اما در لحظه، این فرآیندها از طریق یک فرآیند ناکارآمد رشد زیست توده، تبدیل آن به قند و تغذیه آن به میکروب ها انجام می شود.

اکنون، محققان مؤسسه میکروبیولوژی زمینی ماکس پلانک در آلمان راه بسیار مستقیم تری برای تقویت فرآیندهای بیولوژیکی ابداع کرده اند. آنها یک مسیر متابولیک مصنوعی ایجاد کرده اند که می تواند مستقیماً الکتریسیته را با استفاده از ترکیبی از آنزیم ها به ATP تبدیل کند. و مهمتر از همه، این فرآیند کار می کند در شرایط in vitro و به ماشین های بومی سلول ها متکی نیست.

"توبیاس ارب، رهبر این تحقیق، تغذیه مستقیم الکتریسیته به واکنش‌های شیمیایی و بیوشیمیایی یک پیشرفت واقعی است. گفت: در آزادی مطبوعات. این امر سنتز منابع ارزشمند غنی از انرژی مانند نشاسته، سوخت‌های زیستی یا پروتئین‌ها را از بلوک‌های ساختمانی سلولی ساده - در آینده حتی از دی اکسید کربن - ممکن می‌سازد. حتی ممکن است بتوان از مولکول های بیولوژیکی برای ذخیره انرژی الکتریکی استفاده کرد.

در طبیعت، ATP و مولکول خواهر آن آدنوزین دی فسفات (ADP) را می توان تقریباً مانند باتری ها در نظر گرفت. ATP مانند یک باتری شارژ شده است که انرژی را در پیوندهای شیمیایی خود ذخیره می کند. اگر سلولی نیاز به صرف این انرژی داشته باشد، یکی از آنها را می شکند of پس از آن، سه گروه فسفات مولکول و انرژی محدود شده در آن پیوند شیمیایی می توانند برخی از فرآیندهای سلولی را تامین کنند.

این فرآیند مولکول ATP را به ADP تبدیل می کند که می توان آن را به عنوان یک باتری خالی در نظر گرفت. برای شارژ مجدد آن، سلول نیاز به استفاده از انرژی حاصل از غذا یا فتوسنتز دارد تا یک گروه فسفات را دوباره به مولکول ADP اضافه کند و آن را دوباره به ATP تبدیل کند.

اما این فرآیند شارژ مجدد متکی به توالی پیچیده ای از واکنش ها است که شامل کمپلکس های پروتئینی مختلفی است که در غشای سلولی تعبیه شده اند. مهندسی مجدد این سیستم برای کار در خارج از سلول چالش برانگیز است زیرا نیاز به پروتئین های مختلف دارد که به دقت در یک غشای مصنوعی جهت دهی شوند که آن را هم ظریف و هم شکننده می کند.

رویکرد جدید، که در الف کاغذ در ژول, بسیار ساده تر است این چرخه که "چرخه AAA" نامیده می شود، فقط شامل چهار آنزیم است که در یک محلول با هم تعامل دارند. عنصر کلیدی که همه چیز را ممکن کرد، کشف آنزیمی به نام آلدهید فرودوکسین اکسیدوردوکتاز (AOR) در یک باکتری اخیرا کشف شده به نام بود. آروماتیکوم آروماتولئومکه قادر به تجزیه نفت است.

دانشمندان زیست‌شناسی را با تبدیل جریان به سوخت شیمیایی سلول‌ها به هوش داده‌های پلاتو بلاک‌چین برق می‌دهند. جستجوی عمودی Ai.
اعتبار تصویر: MPI f. میکروبیولوژی زمینی/ ارب

این آنزیم می‌تواند الکترون‌ها را از یک الکترود بگیرد و انرژی آن‌ها را در یک پیوند آلدهیدی که به یک ماده شیمیایی پیش‌ساز به نام پروپیونات اضافه می‌شود، متصل کند. سپس از طریق سه آنزیم دیگر که روی ماده شیمیایی عمل می کنند و در نهایت از انرژی ذخیره شده در آن برای تبدیل ADP به ATP استفاده می کنند، آبشار می شود. در پایان، یک مولکول پروپیونات بیرون می زند که می تواند دوباره به چرخه تغذیه شود.

"درو اندی، زیست‌شناس مصنوعی در دانشگاه استنفورد، چرخه ساده AAA یک رویکرد هوشمندانه و ظریف است... که بسیار ساده‌تر از روشی است که زیست‌شناسی به طور طبیعی ATP می‌سازد. گفته شده علم. او افزود که می تواند یک عامل کلیدی برای امکان پذیر ساختن «الکتروبیوسنتز» باشد، ایده استفاده از الکتریسیته برای تولید مستقیم مواد شیمیایی مفید توسط سلول ها.

محققان می گویند این فرآیند هنوز نیاز به کار دارد، زیرا آنزیم ها ناپایدار هستند و فقط می توانند مقدار کمی انرژی را تبدیل کنند. اما اگر بتوان این ایده را اصلاح و بزرگ کرد، می‌توان انواع فرآیندهای بیوتکنولوژی قدرتمند را بر روی انرژی‌های تجدیدپذیر اجرا کرد و نه تنها آنها را سبزتر کرد، بلکه به طور قابل توجهی گسترش داد.نشستند مقدار انرژی که می توانند از آن استفاده کنند.

تصویر های اعتباری: گونتر / Pixabay

تمبر زمان:

بیشتر از تکینگی هاب