用電鰻發(fā)電似乎是一種異想天開,但利用微生物發(fā)電并不是新鮮事。
早在1910年,英國科學(xué)家馬克·比特就發(fā)現(xiàn)了微生物的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流,并成功制造出了世界第一塊微生物電池。1962年,美國科學(xué)家弗斯勒帶領(lǐng)團(tuán)隊研制出一部以微生物為電池的無線電發(fā)報機(jī)。
隨著合成生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用, 產(chǎn)電微生物的研究更加工程化,2018年我國科技部發(fā)布的“合成生物學(xué)”重點專項中也將“電能細(xì)胞設(shè)計與構(gòu)建”列為了重點研究項目。
微生物電池也被眾多學(xué)者視為新型電池中最具潛力的一個。
其實在生物體內(nèi),時時刻刻都在產(chǎn)生“電”,細(xì)胞的有氧呼吸就涉及電子的傳遞,而利用微生物產(chǎn)電的原理與之相似。
產(chǎn)電微生物可以代謝有機(jī)底物, 將電子傳遞給胞內(nèi)的NAD+、FAD生成NADH、FADH2,或存儲在丙酮酸、甲酸等中間代謝物中,共同構(gòu)成了產(chǎn)電微生物的胞內(nèi)可釋放電子池。
隨后,在一系列酶的催化下,中間代謝物匯入位于細(xì)胞內(nèi)膜的醌池中,經(jīng)過甲基萘醌脫氫酶釋放,實現(xiàn)電子的胞內(nèi)生成,并最終通過胞外電子傳遞系統(tǒng)傳遞到胞外電子受體 [1]。
產(chǎn)電微生物在自然界分布廣泛,隨著微生物篩選技術(shù)的進(jìn)步,更多產(chǎn)電微生物也被逐漸發(fā)掘。
其優(yōu)勢之一是自身產(chǎn)出的電能可以被用于加速生物反應(yīng),以污水處理為例,微生物可以利用污水中的有機(jī)物產(chǎn)生電子,理論上,如果通過電極連接,可以在水中形成電流回路,當(dāng)電流強(qiáng)度達(dá)到一定的值時,便可利用電解水的方法處理污水,形成良性循環(huán)。
這一特性是以產(chǎn)電微生物為主體的生物智能合成和生物電催化領(lǐng)域的核心,為綠色可持續(xù)性生產(chǎn)新能源或大宗精細(xì)化學(xué)品的生產(chǎn)提供了新思路。
但如同所有合成生物學(xué)底盤細(xì)胞一樣,野生型的產(chǎn)電微生物缺點也很明顯,可利用底物譜窄、底物攝取代謝強(qiáng)度弱,胞內(nèi)電子池容量小、胞外電子傳遞速率慢等等。
這些都是合成生物學(xué)家正在解決的問題。
有電能的產(chǎn)生,就會有電能的存儲,今年8月,美國辛辛那提大學(xué)生物科學(xué)系A(chǔ)nnetteR Rowe團(tuán)隊和康奈爾大學(xué)生物與環(huán)境工程系Buz Barstow團(tuán)隊在Communications Biology上刊文,提出了一種利用細(xì)菌進(jìn)行電子攝取的基因線路。
Barstow介紹道,“S. oneidensis是一種廣泛使用的模式產(chǎn)電微生物,而越來越多的研究表明它可以逆轉(zhuǎn)其細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移途徑,吸收氧化反應(yīng)產(chǎn)生的電子,從而形成一個帶電的能量儲存器,就好像整個細(xì)胞都有電荷一樣。”
這項研究的目標(biāo)就是找出細(xì)菌電子攝取的具體基因線路,為此,該團(tuán)隊首先將細(xì)菌基因組中非必需基因約99%的基因(約3667個)分別敲除,再進(jìn)行細(xì)胞電子攝取實驗,以此篩選與儲能相關(guān)的基因。
該團(tuán)隊還專門建立了一種比色篩選方法,簡單來說,就是利用一種失去電子會變色的物質(zhì)作為底物,可以通過顏色的變化判斷細(xì)胞是否攝取了電子。
最終,該團(tuán)隊篩選出了5個與電子攝取的相關(guān)基因,還發(fā)現(xiàn)這些基因在Shewanella種屬的基因組中高度保守。
對于這一基因線路的應(yīng)用,Barstow表示,他正在設(shè)計一種可以將有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為生物燃料的細(xì)菌,目前有兩種想法:一是將上述5個基因轉(zhuǎn)入到現(xiàn)有的工程菌細(xì)菌中,提高生物反應(yīng)轉(zhuǎn)化效率;二是以S. oneidensis為底盤細(xì)胞,利用電極使其將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸等物質(zhì)。
微生物電池還有多久能取代現(xiàn)有的電池?Barstow表示,“如果我們獲得資金,它可能只需要五年時間就能實現(xiàn)?!?/p>
合成生物學(xué)手段加速了產(chǎn)電微生物的改造,盡管當(dāng)前的研究還停留在微生物水平,或許有一天,電鰻經(jīng)過改造也能夠成為穩(wěn)定的電源,而將人體稍加改造,或許每個人都能成為 “閃電俠”。 (摘自美《深科技》)(編輯/克珂)