Вчені електрифікують біологію, перетворюючи струм на хімічне паливо для клітин

Клітини всіх живих організмів живляться одним і тим же хімічним паливом: аденозинтрифосфату (АТФ). Тепер дослідники знайшли спосіб генерувати АТФ безпосередньо з електроенергії, що могло б активізувати біотехнологічні процеси, які вирощують усе: від їжі до палива та фармацевтичних препаратів.

Взаємодія сучасних електронних технологій із біологією, як відомо, складна. Одним з основних каменів спотикання є те, що спосіб їх живлення дуже різний. У той час як більшість наших гаджетів працюють на електронах, природа покладається на енергію, що виділяється, коли руйнуються хімічні зв’язки АТФ. Пошук способів конвертації між цими двома дуже різними валютами енергії може бути корисним для багатьох біотехнологій.

Генно-інженерні мікроби вже використовуються для виробництва різноманітних високоцінних хімічних речовин і терапевтично корисних білків, і є надія, що незабаром вони допоможуть створити більш екологічні реактивне паливо, розщеплювати пластикові відходи та навіть вирощувати нові продукти у гігантських біореакторах. Але зараз ці процеси живляться через неефективний процес вирощування біомаси, перетворення її на цукор і живлення нею мікробів.

Тепер дослідники з Інституту наземної мікробіології імені Макса Планка в Німеччині винайшли набагато більш прямий спосіб живлення біологічних процесів. Вони створили штучний метаболічний шлях, який може безпосередньо перетворювати електроенергію в АТФ за допомогою коктейлю ферментів. І що важливо, процес працює пробірці і не покладається на природний механізм клітин.

"Подача електрики безпосередньо на хімічні та біохімічні реакції є справжнім проривом», – Тобіас Ерб, керівник дослідження, сказав у прес-релізі. «Це дозволить синтезувати цінні ресурси, багаті енергією, такі як крохмаль, біопаливо або білки з простих клітинних будівельних блоків — у майбутньому навіть з вуглекислого газу. Можливо, навіть можна використовувати біологічні молекули для накопичення електричної енергії».

У природі АТФ і його сестринську молекулу аденозиндифосфат (АДФ) можна вважати майже схожими на батареї. АТФ схожий на заряджену батарею, яка накопичує енергію в своїх хімічних зв’язках. Якщо клітині потрібно витратити цю енергію, вона відламує одну of три фосфатні групи молекули та енергія, пов’язана з цим хімічним зв’язком, можуть забезпечувати живлення деяких клітинних процесів.

Цей процес перетворює молекулу АТФ в АДФ, який можна розглядати як розряджену батарею. Щоб його зарядити, клітині потрібно використовувати енергію з їжі або фотосинтезу, щоб додати фосфатну групу назад до молекули АДФ, перетворюючи її назад на АТФ.

Але цей процес підзарядки ґрунтується на складній послідовності реакцій за участю різних білкових комплексів, вбудованих у клітинну мембрану. Реконструювати цю систему для роботи поза клітиною є складною справою, оскільки вона вимагає ретельної орієнтації різних білків у штучній мембрані, що робить її вибагливою та крихкою.

Новий підхід, викладений у a папір в Джоуль, набагато простіше. Його називають «циклом ААА», він включає лише чотири ферменти, які взаємодіють у розчині. Ключовим інгредієнтом, який зробив усе це можливим, було відкриття ферменту під назвою альдегідферредоксиноксидоредуктаза (AOR) у нещодавно відкритій бактерії під назвою Aromaticum aromatoleum, який здатний розщеплювати нафту.

Цей фермент здатний забирати електрони з електрода та зв’язувати їхню енергію в альдегідний зв’язок, який додається до хімічної речовини-попередника під назвою пропіонат. Потім це каскадно проходить через ще три ферменти, які діють на хімічну речовину та в кінцевому підсумку використовують збережену в ній енергію для перетворення АДФ в АТФ. Наприкінці виривається молекула пропіонату, яку потім можна повернути в цикл.

"Простий цикл ААА — це розумний і елегантний підхід... це набагато простіше, ніж те, як біологія природним чином створює АТФ», — Дрю Енді, синтетичний біолог зі Стенфордського університету, сказав наука. Він додав, що це може стати ключовим фактором, який дозволить зробити можливим «електробіосинтез», ідею використання електрики для безпосереднього живлення синтезу корисних хімічних речовин клітинами.

Дослідники кажуть, що процес ще потребує допрацювання, оскільки ферменти нестабільні та здатні перетворювати лише невелику кількість енергії. Але якщо цю ідею можна вдосконалити та розширити, вона може дати змогу запускати всілякі потужні біотехнологічні процеси на відновлюваній енергії, не лише зробивши їх екологічнішими, але й значно розширившиІНГ кількість енергії, яку вони можуть використовувати.

Зображення Фото: ґюнтер / Pixabay

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• ChartPrime. Розвивайте свою торгову гру за допомогою ChartPrime. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/08/31/in-a-new-biology-electronics-crossover-scientists-used-electricity-to-produce-the-chemical-fuel-of-cells/