Biologické baterie

Některé půdní bakterie uvolňují elektřinu do svého okolí. Cílem Smart B.O.B. je optimalizovat tento proces (© TU Berlin / PR / Dominic Simon)

Z evolučního biologického hlediska jsou staré, ale jejich potenciál se teď teprve postupně objevuje: Takzvané elektromikrobi jsou v současné debatě o udržitelnosti pod zvláštním dohledem mnoha vědců po celém světě. Mohou produkovat a přenášet elektrony – tedy nakonec elektrický proud – a to do značné míry bez ztrát energie. Pokud se podíváme na proud na molekulární úrovni, není to nic jiného než řízený tok elektronů, který využívají všechny živé organismy uvnitř svých buněk. V rámci letošní soutěže BIOMOD (Biomolekulární design) pro studenty z celého světa v San Franciscu pracuje interdisciplinární tým z TU Berlín právě na této tématice. „Naším cílem je biologická baterie,“ říká Franziska Graeger, magisterská studentka biologické chemie na TU Berlín a členka týmu Smart B.O.B. (Chytrá biologicky optimalizovaná baterie).

Uvnitř buňky u některých skoků elektronů z jednoho molekuly na druhou uvolňuje energie. Několik let vědci znají bakterie, které jsou schopny tímto způsobem uvolňovat elektrony do svého okolí. Přes určité membrány některé z těchto bakterií vedou elektrony například k pozitivně nabitým kovovým iontům v jejich okolí.

Vědci z týmu Smart B.O.B. využívají různé druhy bakterií a kombinují jejich schopnosti. „Bakterie Shewanella má speciální proteinovou konstrukci v její membráně, která umožňuje cíleně uvolňovat elektrony na železo nebo mangan v okolí. Náš první krok je geneticky vložit tento protein do sinic.“ Sinice jsou jakýmsi rozhraním mezi rostlinami a bakteriemi. Jsou autotrofní, tedy dokážou z atmosférického oxidu uhličitého za pomoci slunečního záření vyrábět energetický přenašeč glukózu a kyslík. „Pokud se nám podaří přenést proteinový komplex z Shewanella do sinic, mohly by tyto proteiny cíleně přijímat elektrony z fotosyntézy a předávat je ven na elektrodu. Tím by bylo možné vytvořit proud,“ vysvětluje biochemik plány skupiny. 

Již nyní je možné v malém měřítku zachytit volné elektrony z různých půdních bakterií. To vědci názorně demonstrují malým lampičkou na sklenici s půdou. Dvě speciální elektrody přijímají elektrony od půdních bakterií v půdě a přenášejí je do lampičky. „Samozřejmě se zachytí jen malý proud,“ říká Franziska Graeger. „Takto můžeme rozsvítit jen malou lampu. Naším cílem je klonovat co nejvíce proteinových komplexů z Shewanella do sinic, aby proud tekla výrazně více. Tyto speciální bakterie by pak mohly být přímo naneseny na elektrody pomocí konvenčního tiskárny, což by umožnilo přímou výměnu elektronů a optimalizaci výtěžnosti.“

Od roku 2015 se na mezinárodní soutěži BIOMOD účastní interdisciplinární tým z různých berlínských univerzit. Projekt je hostován odborným oddělením biokatalýzy profesora Nediljka Budisy a výzkumným clusterem UniSysCat na TU Berlín, podpořeným cenou za vzorovou výuku od Společnosti přátel TU Berlín. „Interdisciplinarita je pro tento projekt nesmírně důležitá,“ říká Franziska Graeger. „Musíme nejen v laboratoři úspěšně pracovat na biochemii, ale také vše sami organizovat: funkční laboratoř, dobré webové stránky, působivý výkon na jamboree v říjnu v San Franciscu a v neposlední řadě financování celého projektu a naši cestu na soutěž. Proto stále hledáme nové podporovatele.“