Các nhà khoa học điện khí hóa sinh học bằng cách chuyển đổi dòng điện thành nhiên liệu hóa học của tế bào

Tế bào của mọi sinh vật sống đều được cung cấp năng lượng bởi cùng một loại nhiên liệu hóa học: adenosine triphosphate (ATP). Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tạo ra ATP trực tiếp từ điện, có thể thúc đẩy các quá trình công nghệ sinh học phát triển mọi thứ từ thực phẩm, nhiên liệu đến dược phẩm.

Việc kết nối công nghệ dựa trên điện tử hiện đại với sinh học nổi tiếng là khó khăn. Một trở ngại lớn là cách chúng được cung cấp năng lượng rất khác nhau. Trong khi hầu hết các thiết bị của chúng ta chạy bằng điện tử, thiên nhiên lại dựa vào năng lượng được giải phóng khi liên kết hóa học của ATP bị phá vỡ. Việc tìm cách chuyển đổi giữa hai loại tiền tệ năng lượng rất khác nhau này có thể hữu ích cho một loạt công nghệ sinh học.

Các vi khuẩn biến đổi gen đã được sử dụng để sản xuất nhiều loại hóa chất có giá trị cao và các protein hữu ích về mặt trị liệu, đồng thời người ta hy vọng chúng có thể sớm giúp tạo ra môi trường xanh hơn. nhiên liệu máy bay phản lực, phân hủy rác thải nhựa và thậm chí trồng các loại thực phẩm mới trong lò phản ứng sinh học khổng lồ. Nhưng hiện tại, các quá trình này được cung cấp năng lượng thông qua một quá trình phát triển sinh khối kém hiệu quả, chuyển đổi nó thành đường và cung cấp cho vi khuẩn.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Viện Vi sinh vật trên cạn Max Planck ở Đức đã nghĩ ra một cách trực tiếp hơn nhiều để cung cấp năng lượng cho các quá trình sinh học. Họ đã tạo ra một con đường trao đổi chất nhân tạo có thể chuyển đổi trực tiếp điện thành ATP bằng cách sử dụng một hỗn hợp enzyme. Và điều quan trọng nhất là quy trình hoạt động ống nghiệm và không phụ thuộc vào bộ máy tự nhiên của tế bào.

"Cung cấp điện trực tiếp vào các phản ứng hóa học và sinh hóa là một bước đột phá thực sự”, Tobias Erb, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết. cho biết trong một thông cáo báo chí. “Điều này sẽ cho phép tổng hợp các nguồn tài nguyên có giá trị giàu năng lượng như tinh bột, nhiên liệu sinh học hoặc protein từ các khối xây dựng tế bào đơn giản – trong tương lai thậm chí từ carbon dioxide. Thậm chí có thể sử dụng các phân tử sinh học để lưu trữ năng lượng điện.”

Trong tự nhiên, ATP và phân tử chị em adenosine di-phosphate (ADP) của nó có thể được coi gần giống như pin. ATP giống như một cục pin đã được sạc, lưu trữ năng lượng dưới dạng các liên kết hóa học. Nếu một tế bào cần tiêu tốn năng lượng đó, nó sẽ cắt bỏ một năng lượng of Ba nhóm phốt phát của phân tử và năng lượng liên kết trong liên kết hóa học đó sau đó có thể cung cấp năng lượng cho một số quá trình tế bào.

Quá trình này chuyển đổi phân tử ATP thành ADP, có thể được coi là một cục pin trống. Để nạp lại năng lượng, tế bào cần sử dụng năng lượng từ thức ăn hoặc quá trình quang hợp để thêm nhóm phốt phát trở lại phân tử ADP, biến nó trở lại thành ATP.

Nhưng quá trình nạp lại năng lượng này dựa vào một chuỗi phản ứng phức tạp liên quan đến nhiều phức hợp protein khác nhau được gắn vào màng tế bào. Việc tái thiết kế hệ thống này để hoạt động bên ngoài tế bào là một thách thức vì nó đòi hỏi nhiều loại protein khác nhau phải được định hướng cẩn thận trong màng nhân tạo, khiến nó vừa mỏng manh vừa dễ vỡ.

Cách tiếp cận mới, được nêu trong một giấy trong Joule, đơn giản hơn nhiều. Được mệnh danh là “chu trình AAA”, nó chỉ liên quan đến bốn enzyme tương tác trong một dung dịch. Thành phần quan trọng khiến tất cả có thể thực hiện được là việc phát hiện ra một loại enzyme có tên là aldehyd ferredoxin oxyoreductase (AOR) trong một loại vi khuẩn mới được phát hiện gần đây có tên là Aromaticum thơm, có khả năng phân hủy dầu mỏ.

Enzyme này có thể lấy các electron từ điện cực và liên kết năng lượng của chúng thành liên kết aldehyd được thêm vào tiền chất hóa học gọi là propionate. Sau đó, năng lượng này được truyền qua ba enzyme nữa tác động lên hóa chất và cuối cùng sử dụng năng lượng dự trữ trong đó để chuyển ADP thành ATP. Cuối cùng, một phân tử propionate bật ra và sau đó có thể được đưa trở lại chu trình.

"Chu trình AAA đơn giản là một cách tiếp cận thông minh và tao nhã…đơn giản hơn nhiều so với cách sinh học tạo ra ATP một cách tự nhiên,” Drew Endy, nhà sinh học tổng hợp tại Đại học Stanford, cho biết. nói với Khoa học. Ông nói thêm rằng nó có thể là yếu tố then chốt giúp thực hiện “quá trình tổng hợp điện”, ý tưởng sử dụng điện để cung cấp năng lượng trực tiếp cho quá trình tổng hợp các hóa chất hữu ích của tế bào.

Các nhà nghiên cứu cho biết quá trình này vẫn cần được thực hiện vì các enzyme không ổn định và chỉ có thể chuyển đổi một lượng nhỏ năng lượng. Nhưng nếu ý tưởng này có thể được cải tiến và mở rộng quy mô, nó có thể giúp thực hiện tất cả các loại quy trình công nghệ sinh học mạnh mẽ trên năng lượng tái tạo, không chỉ làm cho chúng xanh hơn mà còn mở rộng đáng kể.ing lượng năng lượng mà họ có thể khai thác.

Ảnh: tay súng / Pixabay

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Ô tô / Xe điện, Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• ChartPrime. Nâng cao trò chơi giao dịch của bạn với ChartPrime. Truy cập Tại đây.
• BlockOffsets. Hiện đại hóa quyền sở hữu bù đắp môi trường. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://singularityhub.com/2023/08/31/in-a-new-biology-electronics-crossover-scientists-used-electricity-to-produce-the-chemical-fuel-of-cells/