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Celle a combustibile migliori che utilizzano i batteri
E se potessi alimentare la tua casa con le acque reflue? O fai funzionare il tuo pacemaker con la glicemia piuttosto che con una batteria tradizionale? Gli scienziati sperano che le celle a combustibile microbiche, dispositivi che utilizzano i batteri per generare elettricità, possano un giorno trasformare questa visione in realtà.
Gli scienziati sperano di progettare nuovi ceppi di batteri che producono energia in modo più efficiente.
Mentre le tipiche celle a combustibile utilizzano l'idrogeno come combustibile, separando gli elettroni per creare elettricità, i batteri possono utilizzare un'ampia varietà di nutrienti come combustibile. Alcune specie, come Shewanella oneidensis e Rhodoferax ferrireducens , trasforma questi nutrienti direttamente in elettroni. In effetti, gli scienziati hanno già creato celle a combustibile microbiche sperimentali in grado di far scorrere il glucosio e le acque reflue. Sebbene questi organismi microscopici siano notevolmente efficienti nel produrre energia, non ne fanno abbastanza per applicazioni pratiche.
Tim Gardner , un bioingegnere della Boston University (e membro del TR35 del 2004), ha sviluppato una nuova tecnica per comprendere le reti di geni che regolano le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule batteriche. La mappa risultante rappresenterà un progresso per il campo della biologia sintetica: la ricerca per progettare e costruire sistemi biologici in grado di svolgere funzioni specifiche. Il team di Gardner mira a sfruttare il sistema di controllo genetico per progettare batteri in grado di produrre energia in modo più efficiente.
Come prova della loro tecnica, Gardner e colleghi hanno analizzato la rete normativa di Escherichia coli , un batterio comune spesso utilizzato negli studi di ricerca. I ricercatori hanno identificato più di 200 regolatori genici che potrebbero essere utilizzati nei circuiti di biologia sintetica. E ora stanno applicando la tecnologia a Shewanella batteri.
Technology Review ha intervistato Tim Gardner sui suoi piani durante il Conferenza di Biologia Sintetica 2.0 , tenutasi questa settimana presso l'Università della California, Berkeley.
Revisione della tecnologia : Qual è il potenziale delle celle a combustibile microbiche?
Tim Gardner : Le celle a combustibile microbiche potrebbero davvero accadere, ma abbiamo un modo per migliorare la potenza. In questo momento, la produzione è così bassa che è improbabile che la tecnologia sia in grado di generare energia per case e automobili. Ma ci sono alcune applicazioni per le quali le celle a combustibile potrebbero essere appropriate. Alcuni dispositivi non richiedono molta energia o potrebbero trarre vantaggio dalla capacità di utilizzare fonti di carburante insolite, ad esempio un impianto medico che riceve energia dal sangue e non ha mai bisogno di essere caricato. O robot sul campo che potrebbero afferrare una pianta e convertirla in energia.
BAMBINI : Come migliorerai il design naturale dei batteri?
TG : Vogliamo progettare razionalmente una cella manipolando i macchinari esistenti. Gran parte dei primi lavori in biologia sintetica è stato quello di cercare di costruire dispositivi completi da zero. Ma ci siamo resi conto di essere fondamentalmente limitati utilizzando un approccio completamente sintetico: stavamo cercando di costruire ciò che l'evoluzione aveva costruito in milioni di anni. Quindi abbiamo detto, proviamo a modificare ciò che l'evoluzione ha già costruito.
BAMBINI : In che modo il tuo approccio è diverso dalle tradizionali tecniche di biologia molecolare?
TG : Da anni le persone modificano i sistemi genetici. Ma, per la maggior parte, è un approccio per tentativi ed errori. Modificano qualcosa e vedono cosa succede. Volevamo portare una prospettiva a livello di sistema, in modo da poter affrontare il problema come un ingegnere. Per farlo, dovevamo saperne di più sui circuiti esistenti, quindi abbiamo iniziato a fare la mappatura genetica.
Ci siamo concentrati sulla mappatura dei circuiti regolatori [una rete di geni che controllano le reazioni chimiche che avvengono nella cellula]. Se stai cercando di capire i circuiti di una casa, vai all'interruttore automatico e accendi e spegni i circuiti, cercando il circuito che controlla il bagno o la cucina. Facciamo una cosa simile nei batteri, ma è un po' più disordinata. Sottolineiamo i batteri in modi diversi, con sostanze chimiche diverse o temperature estreme, e poi vediamo come risponde ciascun gene. Se lo fai centinaia di volte, puoi cercare i geni che cambiano insieme. Ad esempio, se vedi geni diversi la cui espressione cambia allo stesso modo in condizioni diverse, possiamo dedurre che quei geni sono correlati. Possiamo quindi identificare le interazioni regolatorie dei geni e mappare la rete.
BAMBINI : Cosa farai con queste informazioni?
TG : Abbiamo speranze di assemblare modelli regolatori dell'intero genoma in nuovi organismi, che potrebbero essere molto potenti. Abbiamo in programma di provarlo su organismi produttori di elettricità, che producono elettricità direttamente da fonti di carbonio.
Accoppieremo la rete regolatoria con un modello della rete metabolica [una mappa delle reazioni metaboliche della cellula], che è dove si svolge la vera attività di trasformare il carbonio in elettricità. Quindi proveremo a prevedere cosa accadrà se modifichiamo geni o nutrienti. Cercheremo di decidere se e come possiamo aumentare la potenza erogata o l'efficienza termodinamica dell'organismo.
La comprensione di queste reti potrebbe anche aiutare gli scienziati a costruire circuiti artificiali da zero. Gli scienziati hanno già costruito una serie di macchine biologiche, come rilevatori di tossine o telecamere batteriche . Era un'accurata ingegneria dei circuiti, ma la maggior parte di questi dispositivi è costruita utilizzando solo tre o quattro componenti. La comprensione dei regolatori genetici amplierà l'elenco delle parti che possono essere utilizzate, perché gli scienziati capiranno come le parti avranno un impatto sulla cellula.