Naukowcy elektryzują biologię, przekształcając prąd w paliwo chemiczne komórek

Komórki wszystkich żywych organizmów zasilane są tym samym paliwem chemicznym: adenozynotrifosforan (ATP). Teraz badacze znaleźli sposób na wytwarzanie ATP bezpośrednio z energii elektrycznej, co może przyspieszyć procesy biotechnologiczne, w wyniku których rośnie wszystko, od żywności, przez paliwo, po farmaceutyki.

Połączenie nowoczesnej technologii opartej na elektronice z biologią jest niezwykle trudne. Główną przeszkodą jest to, że sposób ich zasilania jest bardzo różny. Podczas gdy większość naszych gadżetów działa na elektronach, natura opiera się na energii uwalnianej w wyniku zerwania wiązań chemicznych ATP. Znalezienie sposobów konwersji między tymi dwiema bardzo różnymi walutami energii może być przydatne w wielu biotechnologiach.

Genetycznie zmodyfikowane drobnoustroje są już wykorzystywane do produkcji różnych wysokowartościowych substancji chemicznych i terapeutycznie użytecznych białek i istnieje nadzieja, że ​​wkrótce mogą pomóc w tworzeniu bardziej ekologicznych paliwo odrzutowe, rozkładać odpady z tworzyw sztucznych, a nawet uprawiać nową żywność w gigantycznych bioreaktorach. Jednak w tej chwili procesy te napędzane są przez niewydajny proces uprawy biomasy, przekształcania jej w cukier i dostarczania jej drobnoustrojom.

Teraz naukowcy z Instytutu Mikrobiologii Lądowej Maxa Plancka w Niemczech opracowali znacznie bardziej bezpośredni sposób napędzania procesów biologicznych. Stworzyli sztuczny szlak metaboliczny, który może bezpośrednio przekształcać energię elektryczną w ATP przy użyciu koktajlu enzymów. I co najważniejsze, proces ten działa in vitro i nie opiera się na natywnej maszynerii komórek.

"Zasilanie energią elektryczną bezpośrednio w reakcje chemiczne i biochemiczne to prawdziwy przełom” – Tobias Erb, który kierował badaniami, powiedział w komunikacie prasowym. „Umożliwi to syntezę cennych zasobów bogatych w energię, takich jak skrobia, biopaliwa czy białka, z prostych elementów budulcowych komórek, a w przyszłości nawet z dwutlenku węgla. Być może możliwe będzie nawet wykorzystanie cząsteczek biologicznych do magazynowania energii elektrycznej”.

W naturze ATP i jego siostrzana cząsteczka adenozynodifosforanu (ADP) można traktować prawie jak baterie. ATP jest jak naładowany akumulator, magazynujący energię w postaci wiązań chemicznych. Jeśli komórka musi zużyć tę energię, rozrywa ją of trzy grupy fosforanowe cząsteczki i energia związana z tym wiązaniem chemicznym mogą następnie napędzać pewne procesy komórkowe.

Proces ten przekształca cząsteczkę ATP w ADP, co można uznać za pustą baterię. Aby ją naładować, komórka musi wykorzystać energię z pożywienia lub fotosyntezy, aby dodać grupę fosforanową z powrotem do cząsteczki ADP, zamieniając ją z powrotem w ATP.

Jednak ten proces ładowania opiera się na złożonej sekwencji reakcji obejmujących różne kompleksy białkowe osadzone w błonie komórkowej. Przeprojektowanie tego systemu tak, aby działał poza komórką, jest wyzwaniem, ponieważ wymaga dokładnego ułożenia różnych białek w sztucznej błonie, co czyni ją wybredną i delikatną.

Nowe podejście, opisane w a papier w Dżul, jest znacznie prostsze. Nazywany „cyklem AAA” obejmuje tylko cztery enzymy oddziałujące w roztworze. Kluczowym składnikiem, który umożliwił to wszystko, było odkrycie enzymu zwanego aldehydową oksydoreduktazą ferredoksyny (AOR) w niedawno odkrytej bakterii zwanej Aromaticum aromatoleum, który jest w stanie rozkładać ropę naftową.

Enzym ten jest w stanie pobrać elektrony z elektrody i związać ich energię w wiązaniu aldehydowym, które jest dodawane do prekursora chemicznego zwanego propionianem. Następnie jest ona przekazywana kaskadowo przez trzy kolejne enzymy, które działają na substancję chemiczną i ostatecznie wykorzystują zmagazynowaną w niej energię do przekształcenia ADP w ATP. Na koniec wyskakuje cząsteczka propionianu, którą można następnie wprowadzić z powrotem do cyklu.

"Prosty cykl AAA to sprytne i eleganckie podejście… znacznie prostsze niż naturalne wytwarzanie ATP przez biologię” – Drew Endy, biolog syntetyczny na Uniwersytecie Stanforda, powiedział nauka. Dodał, że może to być kluczowy czynnik umożliwiający umożliwienie „elektrobiosyntezy”, czyli koncepcji wykorzystania energii elektrycznej do bezpośredniego zasilania syntezy przydatnych substancji chemicznych przez komórki.

Naukowcy twierdzą, że proces ten nadal wymaga pracy, ponieważ enzymy są niestabilne i zdolne do przekształcania jedynie niewielkiej ilości energii. Jeśli jednak pomysł uda się udoskonalić i zwiększyć skalę, mógłby umożliwić prowadzenie wszelkiego rodzaju potężnych procesów biotechnologicznych w oparciu o energię odnawialną, nie tylko czyniąc je bardziej ekologicznymi, ale także znacznie rozszerzającING ilość energii, którą mogą pozyskać.

Kredytowych Image: Gunther / Pixabay

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• ChartPrime. Podnieś poziom swojej gry handlowej dzięki ChartPrime. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/08/31/in-a-new-biology-electronics-crossover-scientists-used-electricity-to-produce-the-chemical-fuel-of-cells/