นักวิทยาศาสตร์ใช้ไฟฟ้าทางชีววิทยาโดยการแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นเชื้อเพลิงเคมีของเซลล์

นักวิทยาศาสตร์ใช้ไฟฟ้าทางชีววิทยาโดยการแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นเชื้อเพลิงเคมีของเซลล์

Time Stamp: 31 สิงหาคม 2023 10:46

เซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงเคมีชนิดเดียวกัน: adenosine triphosphate (เอทีพี). ขณะนี้ นักวิจัยได้ค้นพบวิธีสร้าง ATP โดยตรงจากไฟฟ้า ซึ่งสามารถเร่งกระบวนการเทคโนโลยีชีวภาพที่เติบโตทุกอย่างตั้งแต่อาหาร เชื้อเพลิง ไปจนถึงยา

การเชื่อมต่อเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เข้ากับชีววิทยาเป็นเรื่องยากอย่างฉาวโฉ่ อุปสรรคสำคัญประการหนึ่งก็คือวิธีการขับเคลื่อนของพวกมันแตกต่างกันมาก แม้ว่าอุปกรณ์ส่วนใหญ่ของเราทำงานด้วยอิเล็กตรอน แต่ธรรมชาติก็อาศัยพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อพันธะเคมีของ ATP ถูกทำลาย การหาวิธีแปลงพลังงานระหว่างสองสกุลเงินที่แตกต่างกันนี้อาจมีประโยชน์สำหรับเทคโนโลยีชีวภาพหลายประเภท

จุลินทรีย์ที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมได้ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตสารเคมีที่มีมูลค่าสูงและโปรตีนที่มีประโยชน์ในการรักษาโรคอยู่แล้ว และหวังว่าจะช่วยสร้างสิ่งแวดล้อมที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้ในเร็วๆ นี้ น้ำมันเครื่องบิน, สลายขยะพลาสติก และแม้กระทั่งปลูกอาหารใหม่ๆ ในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพขนาดยักษ์. แต่ในตอนนี้ กระบวนการเหล่านี้ขับเคลื่อนผ่านกระบวนการที่ไม่มีประสิทธิภาพในการปลูกชีวมวล เปลี่ยนให้เป็นน้ำตาล และป้อนให้กับจุลินทรีย์

ปัจจุบัน นักวิจัยจากสถาบันจุลชีววิทยาภาคพื้นดินมักซ์พลังค์ในเยอรมนีได้คิดค้นวิธีที่ตรงกว่ามากในการขับเคลื่อนกระบวนการทางชีววิทยา พวกเขาได้สร้างวิถีเมแทบอลิซึมเทียมที่สามารถเปลี่ยนไฟฟ้าเป็น ATP ได้โดยตรงโดยใช้เอนไซม์หนึ่งตัว และที่สำคัญ กระบวนการนี้ได้ผล ในหลอดทดลอง และไม่อาศัยกลไกดั้งเดิมของเซลล์

"การจ่ายไฟฟ้าโดยตรงเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีและชีวเคมีถือเป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริง” Tobias Erb ผู้นำการวิจัย กล่าวในการแถลงข่าว. “สิ่งนี้จะช่วยให้สามารถสังเคราะห์ทรัพยากรอันทรงคุณค่าที่อุดมด้วยพลังงาน เช่น แป้ง เชื้อเพลิงชีวภาพ หรือโปรตีนจากหน่วยการสร้างเซลล์อย่างง่าย แม้กระทั่งจากคาร์บอนไดออกไซด์ในอนาคตด้วยซ้ำ อาจเป็นไปได้ที่จะใช้โมเลกุลทางชีวภาพเพื่อกักเก็บพลังงานไฟฟ้า”

โดยธรรมชาติแล้ว ATP และอะดีโนซีน ได-ฟอสเฟต (ADP) โมเลกุลคู่กันนั้นแทบจะเปรียบเสมือนแบตเตอรี่เลย ATP ก็เหมือนกับแบตเตอรี่ที่ชาร์จแล้ว โดยกักเก็บพลังงานไว้ในพันธะเคมี หากเซลล์จำเป็นต้องใช้พลังงานนั้น มันก็จะสลายไป of กลุ่มฟอสเฟตสามกลุ่มของโมเลกุลและพลังงานที่จับกันในพันธะเคมีนั้นสามารถให้พลังงานแก่กระบวนการของเซลล์ได้

กระบวนการนี้จะแปลงโมเลกุล ATP ให้เป็น ADP ซึ่งถือได้ว่าเป็นแบตเตอรี่หมด ในการเติมประจุใหม่ เซลล์จำเป็นต้องใช้พลังงานจากอาหารหรือการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตกลับเข้าสู่โมเลกุล ADP และเปลี่ยนกลับเป็น ATP

แต่กระบวนการชาร์จใหม่นี้อาศัยลำดับปฏิกิริยาที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับโปรตีนเชิงซ้อนต่างๆ ที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ การรื้อระบบระบบนี้ใหม่เพื่อให้ทำงานนอกเซลล์เป็นเรื่องที่ท้าทาย เนื่องจากต้องใช้โปรตีนหลายชนิดในการวางตำแหน่งอย่างระมัดระวังในเมมเบรนเทียม ซึ่งทำให้ทั้งจู้จี้จุกจิกและเปราะบาง

แนวทางใหม่สรุปไว้ในก กระดาษเข้า จูล, ง่ายกว่ามาก เรียกว่า "วงจร AAA" ซึ่งเกี่ยวข้องกับเอนไซม์เพียง XNUMX ตัวที่ทำปฏิกิริยาในสารละลาย ส่วนประกอบสำคัญที่ทำให้ทุกสิ่งเป็นไปได้คือการค้นพบเอนไซม์ที่เรียกว่าอัลดีไฮด์ ferredoxin oxidoreductase (AOR) ในแบคทีเรียที่เพิ่งค้นพบที่เรียกว่า อะโรมาติคัม อะโรมาโทเลียมซึ่งสามารถสลายปิโตรเลียมได้

นักวิทยาศาสตร์ใช้ไฟฟ้าทางชีววิทยาโดยการแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นเชื้อเพลิงเคมีของเซลล์ PlatoBlockchain Data Intelligence ค้นหาแนวตั้ง AI.
เครดิตรูปภาพ: MPI f. จุลชีววิทยาภาคพื้นดิน/ เอิร์บ

เอนไซม์นี้สามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากอิเล็กโทรดและจับพลังงานของพวกมันในพันธะอัลดีไฮด์ซึ่งถูกเติมลงในสารเคมีตั้งต้นที่เรียกว่าโพรพิโอเนต จากนั้นจะไหลผ่านเอนไซม์อีก XNUMX ตัวที่ทำหน้าที่กับสารเคมี และใช้พลังงานที่สะสมอยู่ในสารเคมีนั้นเพื่อแปลง ADP เป็น ATP ในที่สุด ในตอนท้าย โมเลกุลโพรพิโอเนตจะหลุดออกมาซึ่งสามารถป้อนกลับเข้าสู่วงจรได้

"วงจร AAA แบบธรรมดาเป็นแนวทางที่ชาญฉลาดและสง่างาม...ซึ่งง่ายกว่าวิธีที่ชีววิทยาสร้าง ATP ตามธรรมชาติมาก” Drew Endy นักชีววิทยาสังเคราะห์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด บอก วิทยาศาสตร์. เขาเสริมว่าอาจเป็นปัจจัยสำคัญในการทำให้ "การสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้า" เป็นไปได้ ซึ่งเป็นแนวคิดในการใช้ไฟฟ้าเพื่อให้พลังงานโดยตรงในการสังเคราะห์สารเคมีที่มีประโยชน์จากเซลล์

นักวิจัยกล่าวว่ากระบวนการนี้ยังคงต้องดำเนินการ เนื่องจากเอนไซม์ไม่เสถียรและสามารถแปลงพลังงานได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น แต่หากแนวคิดนี้ได้รับการขัดเกลาและขยายขนาดได้ ก็อาจทำให้สามารถดำเนินกระบวนการเทคโนโลยีชีวภาพอันทรงพลังทุกประเภทเกี่ยวกับพลังงานหมุนเวียนได้ ไม่เพียงแต่ทำให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังขยายตัวได้อย่างมีนัยสำคัญไอเอ็นจี ปริมาณพลังงานที่พวกเขาสามารถดึงเข้าไปได้

เครดิตภาพ: Günther / Pixabay

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์