211service.com
Betere brandstofcellen met behulp van bacteriën
Wat als je je huis zou kunnen voorzien van riolering? Of uw pacemaker met bloedsuiker laten werken in plaats van met een traditionele batterij? Wetenschappers hopen dat microbiële brandstofcellen - apparaten die bacteriën gebruiken om elektriciteit op te wekken - op een dag deze visie werkelijkheid kunnen maken.
Wetenschappers hopen nieuwe bacteriestammen te ontwerpen die efficiënter energie produceren.
Terwijl typische brandstofcellen waterstof als brandstof gebruiken, waarbij elektronen worden afgescheiden om elektriciteit te creëren, kunnen bacteriën een breed scala aan voedingsstoffen als brandstof gebruiken. Sommige soorten, zoals Shewanella oneidensis en Rhodoferax ferrireducens , zetten deze voedingsstoffen direct om in elektronen. Wetenschappers hebben inderdaad al experimentele microbiële brandstofcellen gemaakt die van glucose en rioolwater kunnen afvloeien. Hoewel deze microscopisch kleine organismen opmerkelijk efficiënt zijn in het produceren van energie, maken ze er niet genoeg van voor praktische toepassingen.
Tim Gardner , een bio-ingenieur aan de Boston University (en lid van de TR35 uit 2004), heeft een nieuwe techniek ontwikkeld voor het begrijpen van de netwerken van genen die de chemische reacties reguleren die plaatsvinden in bacteriële cellen. De resulterende kaart zal een vooruitgang zijn op het gebied van synthetische biologie: de zoektocht naar het ontwerpen en bouwen van biologische systemen die specifieke functies kunnen vervullen. Het team van Gardner wil het genetische controlesysteem gebruiken om bacteriën te ontwikkelen die efficiënter energie kunnen produceren.
Als een testrun van hun techniek analyseerden Gardner en collega's het regelgevende netwerk van Escherichia coli , een veel voorkomende bacterie die vaak wordt gebruikt in onderzoeksstudies. De onderzoekers identificeerden meer dan 200 genregulatoren die zouden kunnen worden gebruikt in circuits van synthetische biologie. En ze passen de technologie nu toe op: Shewanella bacteriën.
Technology Review interviewde Tim Gardner over zijn plannen tijdens de Synthetische Biologie 2.0 conferentie , deze week gehouden aan de University of California, Berkeley.
Technologie beoordeling : Wat is het potentieel voor microbiële brandstofcellen?
Tim Gardner : Microbiële brandstofcellen kunnen echt gebeuren, maar we hebben nog een manier om het vermogen te verbeteren. Op dit moment is de output zo laag dat de technologie waarschijnlijk niet in staat is om stroom voor huizen en auto's op te wekken. Maar er zijn enkele toepassingen waarvoor brandstofcellen geschikt kunnen zijn. Sommige apparaten hebben niet veel stroom nodig of kunnen profiteren van de mogelijkheid om ongebruikelijke brandstofbronnen te gebruiken - een medisch implantaat dat bijvoorbeeld stroom krijgt van het bloed en nooit hoeft te worden opgeladen. Of robots in het veld die een plant kunnen grijpen en omzetten in stroom.
KINDEREN : Hoe gaat u het ontwerp van bacteriën in de natuur verbeteren?
TG : We willen een cel rationeel ontwerpen door bestaande machines te manipuleren. Veel van het vroege werk in de synthetische biologie was om vanaf het begin complete apparaten te bouwen. Maar we realiseerden ons dat we fundamenteel beperkt waren door een volledig synthetische benadering te gebruiken - we probeerden te bouwen wat de evolutie in de loop van miljoenen jaren had opgebouwd. Dus we zeiden: laten we proberen te tweaken wat de evolutie al heeft gebouwd.
KINDEREN : Waarin verschilt uw aanpak van traditionele moleculair-biologische technieken?
TG : Mensen zijn al jaren bezig met het aanpassen van genetische systemen. Maar voor het grootste deel is het een trial-and-error-aanpak. Ze passen iets aan en kijken wat er gebeurt. We wilden een perspectief op systeemniveau brengen, zodat we het probleem als een ingenieur konden benaderen. Om dat te kunnen doen, moesten we meer weten over de bestaande circuits, dus begonnen we aan genetische mapping.
We hebben ons gericht op het in kaart brengen van regulerende circuits [een netwerk van genen die de chemische reacties in de cel regelen]. Als je het circuit van een huis probeert te achterhalen, ga je naar de stroomonderbreker en schakel je circuits in en uit, op zoek naar het circuit dat de badkamer of de keuken bestuurt. We doen hetzelfde bij bacteriën, maar het is een beetje rommeliger. We benadrukken de bacteriën op verschillende manieren, met verschillende chemicaliën of extreme temperaturen, en kijken dan hoe elk gen reageert. Als je dit honderden keren doet, kun je genen zoeken die samen veranderen. Als u bijvoorbeeld verschillende genen ziet waarvan de expressie onder verschillende omstandigheden op dezelfde manier verandert, kunnen we afleiden dat die genen verwant zijn. We kunnen dan genregulerende interacties identificeren en het netwerk in kaart brengen.
KINDEREN : Wat gaat u met deze informatie doen?
TG : We hopen dat we regulatiemodellen voor het hele genoom kunnen samenstellen in nieuwe organismen, die zeer krachtig zouden kunnen zijn. We zijn van plan het uit te proberen op elektriciteitsproducerende organismen, die elektriciteit rechtstreeks uit koolstofbronnen produceren.
We zullen het regulerende netwerk koppelen aan een model van het metabolische netwerk [een kaart van de metabolische reacties van de cel], waar het echte werk van het omzetten van koolstof in elektriciteit plaatsvindt. Dan zullen we proberen te voorspellen wat er zal gebeuren als we genen of voedingsstoffen aanpassen. We zullen proberen te beslissen of en hoe we het vermogen of de thermodynamische efficiëntie van het organisme kunnen verhogen.
Het begrijpen van deze netwerken kan wetenschappers ook helpen om kunstmatige circuits helemaal opnieuw te bouwen. Wetenschappers hebben al een aantal biologische machines gebouwd, zoals toxinedetectoren of bacteriële camera's . Dat was nette circuittechniek, maar de meeste van deze apparaten zijn gebouwd met slechts drie of vier componenten. Het begrijpen van genregulatoren zal de lijst met onderdelen die kunnen worden gebruikt verbreden, omdat wetenschappers zullen begrijpen hoe de onderdelen de cel zullen beïnvloeden.