バクテリアを使用したより良い燃料電池

あなたが下水であなたの家に電力を供給することができたらどうしますか？または、従来のバッテリーではなく血糖値でペースメーカーを実行しますか？科学者たちは、微生物燃料電池（バクテリアを使って電気を生成する装置）がいつの日かこのビジョンを実現できることを望んでいます。

科学者たちは、エネルギーをより効率的に生成する新しい菌株を設計することを望んでいます。

一般的な燃料電池は水素を燃料として使用し、電子を分離して電気を生成しますが、バクテリアはさまざまな栄養素を燃料として使用できます。のようないくつかの種 Shewanella oneidensis と Rhodoferax ferrireducens 、これらの栄養素を直接電子に変えます。実際、科学者たちはすでに、ブドウ糖や下水を逃がすことができる実験的な微生物燃料電池を作成しています。これらの微生物はエネルギーを生成するのに非常に効率的ですが、実際のアプリケーションには十分ではありません。

ティム・ガードナー ボストン大学のバイオエンジニア（および2004 TR35のメンバー）は、細菌細胞で起こる化学反応を調節する遺伝子のネットワークを理解するための新しい技術を開発しました。結果として得られるマップは、合成生物学の分野、つまり特定の機能を実行できる生物学的システムを設計および構築するための探求の進歩となるでしょう。ガードナーのチームは、遺伝子制御システムを利用して、エネルギーをより効率的に生成できるバクテリアを設計することを目指しています。

彼らの技術のテストランとして、ガードナーと同僚は、 大腸菌 、 研究でよく使われる一般的なバクテリア。研究者らは、合成生物学の回路で使用できる200を超える遺伝子調節因子を特定しました。そして彼らは今テクノロジーをに適用しています シュワネラ バクテリア。

Technology Reviewは、TimGardnerに彼の計画についてインタビューしました。 合成生物学2.0会議 、今週カリフォルニア大学バークレー校で開催されました。

テクノロジーレビュー ：微生物燃料電池の可能性は何ですか？

ティム・ガードナー ：微生物燃料電池は実際に発生する可能性がありますが、出力を改善する方法があります。現在、出力が非常に低いため、この技術では家庭や自動車用の電力を生成できない可能性があります。しかし、燃料電池が適切であるかもしれないいくつかのアプリケーションがあります。一部のデバイスは、電力をあまり必要としないか、通常とは異なる燃料源を使用できるというメリットがあります。たとえば、血液から電力を得る医療用インプラントで、充電する必要はありません。または、植物をつかんで電力に変換できるフィールドのロボット。

子供達 ：自然のバクテリアのデザインをどのように改善しますか？

TG ：既存の機械を操作してセルを合理的に設計したい。合成生物学の初期の仕事の多くは、完全なデバイスをゼロから構築しようとすることでした。しかし、私たちは完全に合成的なアプローチを使用して根本的に制限されていることに気づきました。私たちは何百万年にもわたって進化が築き上げてきたものを構築しようとしていました。だから私たちは、進化がすでに構築したものを微調整してみましょうと言いました。

子供達 ：あなたのアプローチは、従来の分子生物学の手法とどのように異なりますか？

TG ：人々は何年もの間遺伝子システムを変更してきました。しかし、ほとんどの場合、これは試行錯誤のアプローチです。彼らは何かを微調整し、何が起こるかを確認します。エンジニアのように問題に取り組むことができるように、システムレベルの視点を持ち込みたかったのです。そのためには、既存の回路についてもっと知る必要があったので、遺伝地図を作り始めました。

私たちは、調節回路[細胞内で起こる化学反応を制御する遺伝子のネットワーク]のマッピングに焦点を当ててきました。家の回路を理解しようとしている場合は、回路ブレーカーに移動して回路のオンとオフを切り替え、バスルームやキッチンを制御する回路を探します。バクテリアでも同様のことをしますが、少し面倒です。さまざまな化学物質や極端な温度でさまざまな方法で細菌にストレスを与え、各遺伝子がどのように反応するかを確認します。これを何百回も行うと、一緒に変化する遺伝子を探すことができます。たとえば、さまざまな条件下で同じように発現が変化するさまざまな遺伝子を見つけた場合、それらの遺伝子は関連していると推測できます。次に、遺伝子調節相互作用を特定し、ネットワークをマッピングできます。

子供達 ：この情報をどうしますか？

TG ：私たちは、非常に強力な可能性のある、新しい生物の全ゲノム調節モデルを組み立てることを望んでいます。炭素源から直接発電する発電生物で試してみる予定です。

規制ネットワークを代謝ネットワークのモデル[細胞の代謝反応のマップ]と結合します。ここで、炭素を電気に変えるという実際のビジネスが行われます。次に、遺伝子や栄養素を微調整するとどうなるかを予測します。私たちは、生物の出力または熱力学的効率を向上させることができるかどうか、そしてどのように向上させることができるかを決定しようとします。

これらのネットワークを理解することは、科学者が人工回路をゼロから構築するのにも役立ちます。科学者たちはすでに毒素検出器やバクテリアカメラなどの多くの生物学的機械を構築しています 。 それはきちんとした回路工学でしたが、これらのデバイスのほとんどは、たった3つまたは4つのコンポーネントパーツを使用して構築されています。科学者は部品が細胞にどのように影響するかを理解するので、遺伝子調節因子を理解することで、使用できる部品のリストが広がります。

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