Бактерии могут стать ключом к хранению энергии и производству биотоплива
Биоинженер Корнеллского университета Баз Барстоу пытается решить важную проблему: как создать недорогую, экологически чистую и масштабируемую систему для хранения и использования энергии из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце. В настоящее время не существует устойчивых методов хранения «зелёной» энергии, так как батареи токсичны для окружающей среды.
Ответ может заключаться в крошечном организме — бактерии Shewanella oneidensis. Этот микроб поглощает электроны в свой метаболизм и использует их энергию для создания необходимых предшественников для «фиксации» углерода — процесса, при котором растения или организмы извлекают углерод из CO2 и добавляют его к органической молекуле, обычно к сахару. Барстоу работает над созданием новой бактерии, которая пойдёт дальше, используя эти молекулы-предшественники для производства органических молекул, например, биотоплива.
Новое исследование «Identification of a Pathway for Electron Uptake in Shewanella oneidensis», опубликованное 11 августа в Communications Biology, впервые описывает механизм в Shewanella, который позволяет микробу поглощать энергию для использования в своём метаболизме.
«Существует лишь очень небольшое количество микробов, которые действительно могут хранить возобновляемую электроэнергию», — сказал Барстоу, доцент кафедры биологической и экологической инженерии. Он добавил, что ещё меньше микробов могут фиксировать CO2.
«Мы хотим создать такой. И для этого нам нужно знать гены, которые участвуют в попадании электронов в клетку», — сказал Барстоу.
В исследовании учёные использовали метод «knockout sudoku», который Барстоу и его коллеги изобрели, чтобы инактивировать гены по одному и определить их функции.
«Мы обнаружили, что многие гены, которые, как мы уже знали, отвечают за вывод электронов из клетки, также участвуют в их поглощении. А ещё мы нашли совершенно новый набор генов, который никто раньше не видел и который необходим для попадания электронов в клетку», — сказал Барстоу.
Ведущий автор работы Аннетт Роу, доцент микробиологии в Университете Цинциннати, определила путь, который облегчают эти гены и который перемещает электроны в метаболизм Shewanella.
Оказалось, что путь преобразования углекислого газа в сахара и, в конечном итоге, в биотопливо является чрезвычайно эффективным, может быть масштабирован и дёшев в эксплуатации. Исследователи обнаружили гомологичные гены у многих разных родов бактерий, что позволило им предположить: до того, как на Земле развился фотосинтез, бактерии могли использовать аналогичный путь, беря электроны от окисления железа, чтобы извлекать углерод из углекислого газа для производства сахаров.
«Когда мы создадим микроба, который может "есть" электроны — а мы сейчас над этим работаем, — он будет содержать эти гены», — сказал Барстоу. Он планирует начать с добавления генов в Escherichia coli — хорошо изученную и удобную для работы бактерию. Создание бактерий, питающихся электронами, открывает путь для использования возобновляемой энергии в производстве биотоплива, продуктов питания, химикатов и для секвестрации углерода.