Ученые электрифицируют биологию, превращая ток в химическое топливо клеток

Клетки всех живых организмов питаются одним и тем же химическим топливом: аденозинтрифосфат (АТП). Теперь исследователи нашли способ генерировать АТФ непосредственно из электричества, что может ускорить биотехнологические процессы, позволяющие выращивать все: от продуктов питания до топлива и фармацевтических препаратов.

Сопряжение современных электронных технологий с биологией чрезвычайно сложно. Одним из основных камней преткновения является то, что способы их питания сильно различаются. Хотя большинство наших гаджетов работают на электронах, природа полагается на энергию, выделяющуюся при разрыве химических связей АТФ. Поиск способов конвертации этих двух очень разных валют энергии может быть полезен для множества биотехнологий.

Генетически модифицированные микробы уже используются для производства различных ценных химических веществ и терапевтически полезных белков, и есть надежда, что вскоре они смогут помочь в создании более экологически чистых продуктов. реактивное топливо, расщеплять пластиковые отходы и даже выращивать новые продукты питания в гигантских биореакторах. Но на данный момент эти процессы осуществляются за счет неэффективного процесса выращивания биомассы, преобразования ее в сахар и подачи ее микробам.

Теперь исследователи из Института наземной микробиологии Макса Планка в Германии разработали гораздо более прямой способ управления биологическими процессами. Они создали искусственный метаболический путь, который может напрямую преобразовывать электричество в АТФ с помощью коктейля ферментов. И самое главное, этот процесс работает. в пробирке и не полагается на собственный механизм клеток.

Подача электричества непосредственно в химические и биохимические реакции — это настоящий прорыв», — Тобиас Эрб, возглавлявший исследование, говорится в пресс-релизе. «Это позволит синтезировать богатые энергией ценные ресурсы, такие как крахмал, биотопливо или белки, из простых строительных блоков клеток, а в будущем даже из углекислого газа. Возможно, даже удастся использовать биологические молекулы для хранения электрической энергии».

В природе АТФ и ее родственная молекула аденозиндифосфат (АДФ) можно рассматривать как почти что батарейки. АТФ похожа на заряженную батарею, хранящую энергию в своих химических связях. Если клетке необходимо потратить эту энергию, она отрывает один of три фосфатные группы молекулы и энергия, заключенная в этой химической связи, могут затем привести в действие некоторые клеточные процессы.

Этот процесс превращает молекулу АТФ в АДФ, которую можно рассматривать как разряженную батарею. Чтобы перезарядить его, клетке необходимо использовать энергию пищи или фотосинтеза, чтобы добавить фосфатную группу обратно к молекуле АДФ, превращая ее обратно в АТФ.

Но этот процесс перезарядки основан на сложной последовательности реакций с участием различных белковых комплексов, встроенных в клеточную мембрану. Реинжиниринг этой системы для работы вне клетки является сложной задачей, поскольку требует тщательной ориентации различных белков в искусственной мембране, что делает ее привередливой и хрупкой.

Новый подход, изложенный в бумага в Джоуль, гораздо проще. Названный «циклом ААА», он включает в себя взаимодействие всего четырех ферментов в растворе. Ключевым ингредиентом, который сделал все это возможным, стало открытие фермента под названием альдегидферредоксиноксидоредуктаза (АОР) в недавно открытой бактерии под названием Ароматикум ароматолеум, который способен расщеплять нефть.

Этот фермент способен забирать электроны с электрода и связывать их энергию в альдегидную связь, которая добавляется к химическому веществу-предшественнику, называемому пропионатом. Затем этот процесс передается через еще три фермента, которые воздействуют на химическое вещество и в конечном итоге используют накопленную в нем энергию для преобразования АДФ в АТФ. В конце выскакивает молекула пропионата, которую затем можно снова ввести в цикл.

Простой цикл ААА — это умный и элегантный подход… он намного проще, чем то, как биология естественным образом производит АТФ», — Дрю Энди, биолог-синтетик из Стэнфордского университета, заявил Наука. Он добавил, что это может стать ключевым фактором, делающим возможным «электробиосинтез» — идею использования электричества для прямого синтеза полезных химических веществ клетками.

Исследователи говорят, что этот процесс еще требует доработки, поскольку ферменты нестабильны и способны преобразовывать лишь небольшое количество энергии. Но если эту идею удастся усовершенствовать и расширить, она может позволить запускать все виды мощных биотехнологических процессов на возобновляемой энергии, не только делая их более экологичными, но и значительно расширяя их.ИНГ количество энергии, которую они могут использовать.

Изображение Фото: günther / Pixabay

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• ЧартПрайм. Улучшите свою торговую игру с ChartPrime. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/08/31/in-a-new-biology-electronics-crossover-scientists-used-electricity-to-produce-the-chemical-fuel-of-cells/