Znanstveniki elektrificirajo biologijo s pretvorbo toka v kemično gorivo celic

Celice vseh živih organizmov poganja isto kemično gorivo: adenozin trifosfat (ATP). Zdaj so raziskovalci našli način za ustvarjanje ATP neposredno iz električne energije, kar bi lahko spodbudilo biotehnološke procese, ki pridelujejo vse od hrane do goriva in farmacevtskih izdelkov.

Povezovanje sodobne tehnologije, ki temelji na elektroniki, z biologijo je znano težko. Eden glavnih kamnov spotike je, da je način njihovega napajanja zelo različen. Medtem ko večina naših pripomočkov deluje na elektrone, je narava odvisna od energije, ki se sprosti, ko se kemične vezi ATP prekinejo. Iskanje načinov za pretvorbo med tema dvema zelo različnima valutama energije bi lahko bilo koristno za številne biotehnologije.

Gensko spremenjeni mikrobi se že uporabljajo za proizvodnjo različnih visokovrednih kemikalij in terapevtsko uporabnih beljakovin, in obstaja upanje, da bi lahko kmalu pomagali ustvariti bolj okolju prijazne Jet gorivo, razgraditi plastične odpadke in celo pridelati nova živila v ogromnih bioreaktorjih. Toda trenutno te procese poganja neučinkovit proces gojenja biomase, njene pretvorbe v sladkor in hranjenja mikrobov z njo.

Zdaj so raziskovalci na Inštitutu Max Planck za kopensko mikrobiologijo v Nemčiji zasnovali veliko bolj neposreden način za napajanje bioloških procesov. Ustvarili so umetno presnovno pot, ki lahko neposredno pretvori elektriko v ATP s pomočjo koktajla encimov. In kar je bistveno, postopek deluje in vitro in se ne zanaša na naravni stroj celic.

"Dovajanje električne energije neposredno v kemične in biokemične reakcije je pravi preboj,« Tobias Erb, ki je vodil raziskavo, je dejal v sporočilu za javnost. »To bo omogočilo sintezo z energijo bogatih dragocenih virov, kot so škrob, biogoriva ali beljakovine iz preprostih celičnih gradnikov – v prihodnosti celo iz ogljikovega dioksida. Mogoče je celo mogoče uporabiti biološke molekule za shranjevanje električne energije.«

V naravi lahko ATP in njegovo sestrsko molekulo adenozin difosfat (ADP) obravnavamo skoraj kot baterije. ATP je kot napolnjena baterija, ki shranjuje energijo v svojih kemičnih vezeh. Če mora celica porabiti to energijo, jo odlomi of tri fosfatne skupine molekule in energija, vezana na to kemično vez, lahko nato poganjajo nek celični proces.

Ta proces pretvori molekulo ATP v ADP, ki si ga lahko predstavljamo kot prazno baterijo. Za ponovno polnjenje mora celica uporabiti energijo iz hrane ali fotosinteze, da doda fosfatno skupino nazaj na molekulo ADP in jo spremeni nazaj v ATP.

Toda ta proces polnjenja temelji na zapletenem zaporedju reakcij, ki vključujejo različne proteinske komplekse, vgrajene v celično membrano. Reinženiring tega sistema za delovanje zunaj celice je zahteven, saj zahteva, da so različni proteini skrbno usmerjeni v umetni membrani, zaradi česar je hkrati izbirčen in krhek.

Nov pristop, opisan v a papir v Joule, je veliko bolj preprosto. Poimenovan »cikel AAA«, vključuje samo štiri encime, ki medsebojno delujejo v raztopini. Ključna sestavina, ki je vse to omogočila, je bilo odkritje encima, imenovanega aldehid feredoksin oksidoreduktaza (AOR) v nedavno odkriti bakteriji, imenovani Aromaticum aromatoleum, ki lahko razgradi nafto.

Ta encim lahko vzame elektrone iz elektrode in veže njihovo energijo v aldehidno vez, ki je dodana predhodni kemikaliji, imenovani propionat. To se nato kaskadno razporedi prek treh dodatnih encimov, ki delujejo na kemikalijo in na koncu uporabijo v njej shranjeno energijo za pretvorbo ADP v ATP. Na koncu izstopi molekula propionata, ki jo je mogoče vrniti v cikel.

"Preprost cikel AAA je pameten in eleganten pristop … ki je veliko enostavnejši od tega, kako biologija naravno proizvaja ATP,« Drew Endy, sintetični biolog na univerzi Stanford, Rekel Znanost. Dodal je, da bi lahko bil ključni dejavnik, ki omogoča "elektrobiosintezo", idejo o uporabi električne energije za neposredno poganjanje sinteze uporabnih kemikalij v celicah.

Raziskovalci pravijo, da je na procesu še treba delati, saj so encimi nestabilni in lahko pretvorijo le majhno količino energije. Toda če je idejo mogoče izboljšati in razširiti, bi lahko omogočila izvajanje vseh vrst močnih biotehnoloških procesov na obnovljivi energiji, s čimer bi bili ne samo bolj zeleni, ampak bi se znatno razširiliing količino energije, ki jo lahko izkoristijo.

Kreditno slike: günther / pixabay

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/08/31/in-a-new-biology-electronics-crossover-scientists-used-electricity-to-produce-the-chemical-fuel-of-cells/