Bessere Brennstoffzellen mit Bakterien

Was wäre, wenn Sie Ihr Haus mit Abwasser versorgen könnten? Oder Ihren Herzschrittmacher mit Blutzucker statt mit einer herkömmlichen Batterie betreiben? Wissenschaftler hoffen, dass mikrobielle Brennstoffzellen – Geräte, die Bakterien zur Stromerzeugung nutzen – diese Vision eines Tages Wirklichkeit werden lassen könnten.

Wissenschaftler hoffen, neue Bakterienstämme entwickeln zu können, die Energie effizienter produzieren.

google was ist das leben

Während typische Brennstoffzellen Wasserstoff als Brennstoff verwenden und Elektronen abspalten, um Elektrizität zu erzeugen, können Bakterien eine Vielzahl von Nährstoffen als Brennstoff verwenden. Einige Arten, wie z Shewanella oneidensis und Rhodoferax ferrireducens , diese Nährstoffe direkt in Elektronen umwandeln. Tatsächlich haben Wissenschaftler bereits experimentelle mikrobielle Brennstoffzellen entwickelt, die Glukose und Abwasser ableiten können. Obwohl diese mikroskopischen Organismen bemerkenswert effizient Energie produzieren, machen sie für praktische Anwendungen nicht genug daraus.



Tim Gärtner , ein Bioingenieur an der Boston University (und Mitglied des TR35 von 2004), hat eine neue Technik entwickelt, um die Netzwerke von Genen zu verstehen, die die chemischen Reaktionen in Bakterienzellen regulieren. Die resultierende Karte wird ein Fortschritt für das Gebiet der synthetischen Biologie sein: das Bestreben, biologische Systeme zu entwerfen und zu bauen, die bestimmte Funktionen erfüllen können. Gardners Team möchte das genetische Kontrollsystem nutzen, um Bakterien zu entwickeln, die Energie effizienter produzieren können.

Als Testlauf ihrer Technik analysierten Gardner und Mitarbeiter das regulatorische Netzwerk von Escherichia coli , ein häufiges Bakterium, das häufig in Forschungsstudien verwendet wird. Die Forscher identifizierten mehr als 200 Genregulatoren, die in Schaltkreisen der synthetischen Biologie verwendet werden könnten. Und sie wenden die Technologie jetzt an Shewanella Bakterien.

Technology Review interviewte Tim Gardner zu seinen Plänen während der Synthetische Biologie 2.0 Konferenz , das diese Woche an der University of California in Berkeley stattfand.

Technologieüberprüfung : Welches Potenzial haben mikrobielle Brennstoffzellen?

Tim Gärtner : Mikrobielle Brennstoffzellen könnten wirklich passieren, aber wir haben einen Weg, die Leistung zu verbessern. Im Moment ist die Leistung so gering, dass die Technologie wahrscheinlich nicht in der Lage sein wird, Strom für Haushalte und Autos zu erzeugen. Es gibt jedoch einige Anwendungen, für die Brennstoffzellen geeignet sein könnten. Einige Geräte benötigen nicht viel Strom oder könnten von der Möglichkeit profitieren, ungewöhnliche Brennstoffquellen zu verwenden – zum Beispiel ein medizinisches Implantat, das Strom aus dem Blut bezieht und nie aufgeladen werden muss. Oder Roboter auf dem Feld, die eine Pflanze greifen und in Strom umwandeln könnten.

KINDER : Wie werden Sie das Bakteriendesign der Natur verbessern?

TG : Wir wollen eine Zelle rationell entwerfen, indem wir vorhandene Maschinen manipulieren. Ein Großteil der frühen Arbeiten in der synthetischen Biologie bestand darin, zu versuchen, komplette Geräte von Grund auf neu zu bauen. Aber wir erkannten, dass wir mit einem vollständig synthetischen Ansatz grundsätzlich begrenzt waren – wir versuchten, das aufzubauen, was die Evolution über Millionen von Jahren aufgebaut hatte. Also haben wir gesagt, lasst uns versuchen, das zu optimieren, was die Evolution bereits geschaffen hat.

KINDER : Inwiefern unterscheidet sich Ihr Ansatz von herkömmlichen molekularbiologischen Techniken?

TG : Menschen verändern seit Jahren genetische Systeme. Aber zum größten Teil ist es ein Trial-and-Error-Ansatz. Sie optimieren etwas und sehen, was passiert. Wir wollten eine Perspektive auf Systemebene einbringen, damit wir das Problem wie ein Ingenieur angehen konnten. Dazu mussten wir mehr über die bestehenden Schaltkreise wissen, also begannen wir mit der genetischen Kartierung.

Wir haben uns auf die Kartierung von Regelkreisen konzentriert [ein Netzwerk von Genen, die die chemischen Reaktionen in der Zelle steuern]. Wenn Sie versuchen, die Schaltung eines Hauses herauszufinden, gehen Sie zum Schutzschalter und schalten Sie die Stromkreise ein und aus, um nach dem Stromkreis zu suchen, der das Badezimmer oder die Küche steuert. Bei Bakterien machen wir etwas Ähnliches, aber es ist etwas chaotischer. Wir stressen die Bakterien auf unterschiedliche Weise, mit unterschiedlichen Chemikalien oder extremen Temperaturen und sehen dann, wie jedes Gen reagiert. Wenn Sie dies Hunderte Male tun, können Sie nach Genen suchen, die sich gemeinsam verändern. Wenn Sie beispielsweise verschiedene Gene sehen, deren Expression sich unter verschiedenen Bedingungen auf die gleiche Weise ändert, können wir folgern, dass diese Gene miteinander verwandt sind. Wir können dann Genregulationsinteraktionen identifizieren und das Netzwerk kartieren.

KINDER : Was werden Sie mit diesen Informationen tun?

ted cruz lippensynchronisation

TG : Wir hoffen, ganze Genom-Regulationsmodelle in neuartigen Organismen zusammenzustellen, die sehr leistungsfähig sein könnten. Wir planen, es an stromerzeugenden Organismen auszuprobieren, die Strom direkt aus Kohlenstoffquellen produzieren.

Wir werden das regulatorische Netzwerk mit einem Modell des metabolischen Netzwerks [eine Karte der Stoffwechselreaktionen der Zelle] koppeln, in dem das eigentliche Geschäft der Umwandlung von Kohlenstoff in Strom stattfindet. Dann versuchen wir vorherzusagen, was passieren wird, wenn wir Gene oder Nährstoffe optimieren. Wir werden versuchen zu entscheiden, ob und wie wir die Leistungsabgabe oder die thermodynamische Effizienz des Organismus steigern können.

Das Verständnis dieser Netzwerke könnte Wissenschaftlern auch helfen, künstliche Schaltkreise von Grund auf neu zu bauen. Wissenschaftler haben bereits eine Reihe von biologischen Maschinen gebaut, wie Toxindetektoren oder Bakterienkameras . Das war ordentliche Schaltungstechnik, aber die meisten dieser Geräte bestehen aus nur drei oder vier Einzelteilen. Das Verständnis der Genregulatoren wird die Liste der verwendbaren Teile erweitern, da die Wissenschaftler verstehen werden, wie sich die Teile auf die Zelle auswirken.

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen