Baterie biologiczne

Niektóre bakterie glebowe przekazują prąd do swojego otoczenia. Optymalizacja tego procesu jest celem Smart B.O.B. (© TU Berlin / PR / Dominic Simon)

Pod względem ewolucyjnym są one bardzo stare, ale ich potencjał jest dopiero teraz stopniowo odkrywany: tak zwane elektromikroby są obecnie pod szczególną obserwacją wielu naukowców na całym świecie w debacie na temat zrównoważonego rozwoju. Potrafią one produkować i przesyłać elektrony — czyli ostatecznie prąd — i to w dużej mierze bez strat energii. Gdy patrzymy na prąd na poziomie molekularnym, tak naprawdę nie jest to nic innego jak skierowany przepływ elektronów, z którego korzystają wszystkie żywe organizmy wewnątrz swoich komórek. W ramach tegorocznego konkursu BIOMOD (Biomolecular Design) dla studentów z całego świata w San Francisco, interdyscyplinarny zespół z TU Berlin pracuje dokładnie nad tym zagadnieniem. „Naszym celem jest biologiczny akumulator”, mówi Franziska Graeger, studentka magisterskich studiów chemii biologicznej na TU Berlin i członkini zespołu Smart B.O.B. (Smart Biologically Optimized Battery).

W obrębie komórki u niektórych organizmów podczas skoków elektronów z jednego na drugi molekuł uwalniana jest energia. Od kilku lat naukowcy znają bakterie, które potrafią w ten sposób oddawać elektrony swojemu otoczeniu. Przez określone błony te bakterie przekazują elektrony na przykład na dodatnio naładowane jony metali w swoim otoczeniu.

Naukowcy z zespołu Smart B.O.B. wykorzystują różne rodzaje bakterii i łączą ich zdolności. „Bakteria Shewanella posiada specjalną strukturę białkową w swojej błonie, która umożliwia celowe oddawanie elektronów do żelaza lub manganu w otoczeniu. Naszym pierwszym krokiem jest wprowadzenie tego białka genetycznie do cyjanobakterii.” Cyjanobakterie są rodzajem interfejsu między roślinami a bakteriami. Są autotrofami, czyli potrafią z dwutlenku węgla z atmosfery, przy pomocy światła słonecznego, produkować nośnik energii — glukozę i tlen. „Jeśli uda nam się wprowadzić kompleks białkowy z Shewanella do cyjanobakterii, te proteiny mogłyby celowo przejmować elektrony z fotosyntezy i przekazywać je na zewnątrz na elektrodę. W ten sposób można by wygenerować przepływ prądu”, wyjaśnia biochemiczka plany grupy. 

Już teraz możliwe jest w niewielkim zakresie przechwytywanie wolnych elektronów od różnych bakterii glebowych. Naukowcy demonstrują to efektownie za pomocą małej lampki na słoik z ziemią. Dwie specjalne elektrody pobierają elektrony od bakterii glebowych w ziemi i przekazują je do lampki. „Oczywiście, pobierany jest tylko niewielki prąd”, mówi Franziska Graeger. „W ten sposób możemy zasilić tylko małą lampę. Naszym celem jest klonowanie jak największej liczby kompleksów białkowych z Shewanella do cyjanobakterii, aby przepływ prądu był znacznie większy. Te specjalne bakterie mogłyby następnie być bezpośrednio nanoszone na elektrody za pomocą konwencjonalnego drukarki, co umożliwiłoby bezpośrednią wymianę elektronów i optymalizację wydajności.”

Już od 2015 roku interdyscyplinarny zespół z różnych berlińskich uniwersytetów bierze udział w międzynarodowym konkursie BIOMOD. Projekt jest hostowany przez Zakład Biokatalizy prof. Nediljko Budisy i klaster doskonałości UniSysCat na TU Berlin, wspierany przez Nagrodę za wzorowe nauczanie przyznawaną przez Towarzystwo Przyjaciół TU Berlin. „Interdyscyplinarność jest dla tego projektu niezwykle ważna”, mówi Franziska Graeger. „Ponieważ musimy nie tylko pracować w laboratorium i skutecznie prowadzić biochemiczne badania, ale także wszystko organizować samodzielnie: funkcjonujące laboratorium, dobrą stronę internetową, atrakcyjną prezentację na Jamboree w październiku w San Francisco, a także całościowe finansowanie projektu i naszą podróż na konkurs. Dlatego wciąż poszukujemy nowych sponsorów.”