211service.com
Bättre bränsleceller med hjälp av bakterier
Tänk om du kunde driva ditt hus med avlopp? Eller kör din pacemaker med blodsocker snarare än ett traditionellt batteri? Forskare hoppas att mikrobiella bränsleceller – enheter som använder bakterier för att generera elektricitet – en dag skulle kunna göra denna vision till verklighet.
Forskare hoppas kunna designa nya bakteriestammar som producerar energi mer effektivt.
Medan typiska bränsleceller använder väte som bränsle och separerar elektroner för att skapa elektricitet, kan bakterier använda en mängd olika näringsämnen som bränsle. Vissa arter, som t.ex Shewanella oneidensis och Rhodoferax ferrireducens , förvandla dessa näringsämnen direkt till elektroner. Faktiskt har forskare redan skapat experimentella mikrobiella bränsleceller som kan rinna av glukos och avloppsvatten. Även om dessa mikroskopiska organismer är anmärkningsvärt effektiva på att producera energi, gör de inte tillräckligt med det för praktiska tillämpningar.
Tim Gardner , en bioingenjör vid Boston University (och medlem av 2004 TR35), har utvecklat en ny teknik för att förstå nätverken av gener som reglerar de kemiska reaktionerna som äger rum i bakterieceller. Den resulterande kartan kommer att vara ett framsteg för området syntetisk biologi: strävan att designa och bygga biologiska system som kan utföra specifika funktioner. Gardners team syftar till att utnyttja det genetiska kontrollsystemet för att konstruera bakterier som kan producera energi mer effektivt.
Som en testkörning av deras teknik analyserade Gardner och medarbetare det reglerande nätverket av Escherichia coli , en vanlig bakterie som ofta används i forskningsstudier. Forskarna identifierade mer än 200 genregulatorer som kunde användas i syntetiska biologiska kretsar. Och de tillämpar nu tekniken på Shewanella bakterie.
Technology Review intervjuade Tim Gardner om hans planer under Konferens för Synthetic Biology 2.0 , som hölls denna vecka vid University of California, Berkeley.
Teknikgranskning : Vad är potentialen för mikrobiella bränsleceller?
Tim Gardner : Mikrobiella bränsleceller kan verkligen hända, men vi har en väg att gå för att förbättra uteffekten. Just nu är effekten så låg att tekniken sannolikt inte kommer att kunna generera ström till hem och bilar. Men det finns några applikationer för vilka bränsleceller kan vara lämpliga. Vissa enheter behöver inte mycket ström eller kan dra nytta av möjligheten att använda ovanliga bränslekällor – ett medicinskt implantat som till exempel får ström från blodet och aldrig behöver laddas. Eller robotar på fältet som kan ta tag i en anläggning och omvandla den till kraft.
BARN : Hur kommer du att förbättra naturens design av bakterier?
TG : Vi vill rationellt designa en cell genom att manipulera befintligt maskineri. Mycket av det tidiga arbetet inom syntetisk biologi var att försöka bygga kompletta enheter från grunden. Men vi insåg att vi var fundamentalt begränsade genom att använda ett helt syntetiskt tillvägagångssätt – vi försökte bygga det som evolutionen hade byggt upp under miljontals år. Så vi sa, låt oss försöka justera vad evolutionen redan byggts upp.
BARN : Hur skiljer sig ditt tillvägagångssätt från traditionella molekylärbiologiska tekniker?
TG : Människor har modifierat genetiska system i flera år. Men för det mesta är det en trial-and-error-metod. De justerar något och ser vad som händer. Vi ville ta med ett systemnivåperspektiv, så att vi kunde närma oss problemet som en ingenjör. För att göra det var vi tvungna att veta mer om de befintliga kretsarna, så vi började göra genetisk kartläggning.
Vi har fokuserat på att kartlägga regulatoriska kretsar [ett nätverk av gener som styr de kemiska reaktionerna som äger rum i cellen]. Om du försöker ta reda på kretsen i ett hus, går du till strömbrytaren och slår på och av, letar efter kretsen som styr badrummet eller köket. Vi gör en liknande sak i bakterier, men det är lite stökigare. Vi stressar bakterierna på olika sätt, med olika kemikalier eller extrema temperaturer, och ser sedan hur varje gen reagerar. Om du gör detta hundratals gånger kan du leta efter gener som förändras tillsammans. Till exempel, om du ser olika gener vars uttryck förändras på samma sätt under olika förhållanden, kan vi dra slutsatsen att dessa gener är relaterade. Vi kan sedan identifiera genreglerande interaktioner och kartlägga nätverket.
BARN : Vad ska du göra med den här informationen?
TG : Vi har förhoppningar om att sätta samman regulatoriska modeller för hela genomet i nya organismer, som kan vara mycket kraftfulla. Vi planerar att prova det på elproducerande organismer, som producerar el direkt från kolkällor.
Vi kommer att koppla det regulatoriska nätverket med en modell av det metaboliska nätverket [en karta över cellens metaboliska reaktioner], som är där den verkliga verksamheten att omvandla kol till elektricitet äger rum. Sedan ska vi försöka förutsäga vad som kommer att hända om vi justerar gener eller näringsämnen. Vi kommer att försöka bestämma om och hur vi kan öka organismens effektuttag eller termodynamiska effektivitet.
Att förstå dessa nätverk kan också hjälpa forskare att bygga konstgjorda kretsar från grunden. Forskare har redan byggt ett antal biologiska maskiner, som toxindetektorer eller bakteriekameror . Det var snygg kretsteknik, men de flesta av dessa enheter är byggda med bara tre eller fyra komponenter. Att förstå genregulatorer kommer att bredda listan över delar som kan användas, eftersom forskare kommer att förstå hur delarna kommer att påverka cellen.