Biológiai akkumulátorok

Bizonyos talajbaktériumok elektromos áramot adnak ki a környezetükbe. Ennek a folyamatnak a optimalizálása a Smart B.O.B. célja. (© TU Berlin / PR / Dominic Simon)

Az evolúciós biológia szempontjából ők ősidők óta léteznek, de potenciáljuk csak most kezd fokozatosan feltárulni: Az úgynevezett elektromikrobák a jelenlegi fenntarthatósági vitában különösen figyelemre méltóak sok tudós számára világszerte. Képesek elektronokat – vagyis végső soron áramot – termelni és továbbítani. És ez nagyrészt energiaveszteség nélkül. Ha az áramot molekuláris szinten vizsgáljuk, akkor valójában nem más, mint irányított elektronáramlás, amit minden élő szervezet a sejtjeiben használ. A San Francisco-i BIOMOD-verseny (Biomolekuláris Tervezés) keretében, amely a világ minden tájáról érkező hallgatóknak szól, egy interdiszciplináris csapat dolgozik a TU Berlinen pontosan ezen a témán. „Célunk egy biológiai akkumulátor,” mondja Franziska Graeger, a TU Berlin Biológiai Kémia mesterhallgatója és a Smart B.O.B. (Intelligens Biológiailag Optimalizált Akkumulátor) csapat tagja.

Bizonyos sejtekben az elektronok egyik molekuláról a másikra ugrása során energia szabadul fel. Az elmúlt néhány évben a tudósok ismerték fel, hogy baktériumok képesek elektronokat kibocsátani környezetükbe. Bizonyos membránokon keresztül ezek a baktériumok például az elektronokat pozitív töltésű fémionokhoz továbbítják a környezetükben.

A Smart B.O.B. tudósai különböző baktériumtípusokat használnak és kombinálják azok képességeit. „A Shewanella baktériumnak van egy speciális fehérjeszerkezete a membránjában, amely lehetővé teszi, hogy az elektronokat céltudatosan adja át a környezetében található vasnak vagy mangánnak. Első lépésként ezt a fehérjét géntechnológiai úton beültetjük kékalgákba,” magyarázza. A kékalgák egyfajta átmeneti kapcsolatot jelentenek a növények és a baktériumok között. Autotrófok, vagyis képesek a légkör szén-dioxidjából a napfény segítségével glükózt és oxigént termelni. „Ha sikerül a Shewanella fehérjekomplexet bejuttatni a kékalgákba, ezek a fehérjék céltudatosan átvehetik a fotoszintézis során keletkező elektronokat, és külsőleg egy elektródához adhatják azokat. Így áramfolyam hozható létre,” magyarázza a biokémikus a csoport terveit.

Már most is lehetséges kis mértékben szabad elektronokat fogni különböző talajbaktériumoktól. Ezt látványosan demonstrálják egy kis lámpással egy befőttesüvegben lévő földön. Két speciális elektróda veszi fel az elektronokat a talajbaktériumoktól, és továbbítja azokat a lámpához. „Természetesen csak kis áramot gyűjtünk össze,” mondja Franziska Graeger. „Ezzel csak egy kis lámpát tudunk működtetni. Célunk, hogy minél több Shewanella fehérjekomplexet klónozzunk kékalgákba, így sokkal több áram fog folyni. Ezek a speciális baktériumok akár egy hagyományos nyomtató segítségével is közvetlenül felvihetők az elektródákra, így az elektronok közvetlenül cserélődnek, és a hozam növelhető.”

2015 óta egy interdiszciplináris csapat vesz részt különböző berlini egyetemekről a nemzetközi BIOMOD-versenyen. A projektet Prof. Nediljko Budisa biokatalízis szakterülete és az UniSysCat kiválósági központ a TU Berlinen támogatja, a TU Berlin barátainak társasága által adományozott példamutató oktatás díjával kiegészítve. „Az interdiszciplinaritás rendkívül fontos a projekt számára,” mondja Franziska Graeger. „Hiszen nemcsak laborban kell sikeresen biokémiai munkát végeznünk, hanem mindent magunknak kell szerveznünk: egy működőképes laboratóriumot, egy jó weboldalt, egy vonzó bemutatót az októberi san francisco-i Jamboree-n, és nem utolsósorban a projekt teljes finanszírozását és az utazásunkat a versenyre. Ezért még mindig keresünk új támogatókat.”