Совершив прорыв в области биоэлектроники, исследователи из EPFL улучшили способность бактерий E. coli вырабатывать электричество.
Инновационный подход предлагает устойчивое решение для переработки органических отходов, превосходя при этом предыдущие передовые технологии, открывая новые горизонты для универсального производства электроэнергии из микроорганизмов.
«Мы сконструировали бактерии E. coli, наиболее широко изученный микроб, для выработки электричества», — говорит профессор Ардемис Богосян из EPFL. «Хотя существуют экзотические микробы, которые естественным образом вырабатывают электричество, они могут делать это только в присутствии определенных химических веществ. E. coli может расти в широком спектре источников, что позволило нам производить электроэнергию в широком диапазоне сред, в том числе из сточных вод».
В статье, опубликованной в журнале Joule, команда Богоссяна сообщает о новаторском достижении в биоэлектронике, расширяющем возможности обычных бактерий E. coli вырабатывать электричество. В работе описан новый подход, который может произвести революцию как в управлении отходами, так и в производстве энергии.
Бактерии E. coli, являющиеся основой биологических исследований, были использованы для выработки электроэнергии посредством процесса, известного как внеклеточный перенос электронов (EET). Исследователи EPFL сконструировали бактерии E. coli так, чтобы они демонстрировали повышенный EET, что делает их высокоэффективными электрическими микробами. В отличие от предыдущих методов, которые требовали специальных химических веществ для выработки электроэнергии, биоинженерная E. coli может вырабатывать электричество, метаболизируя различные органические субстраты.
Одним из ключевых нововведений исследования является создание полного пути EET внутри E. coli, чего раньше не удавалось. Интегрируя компоненты Shewanella oneidensis MR-1, бактерии, известной своей способностью вырабатывать электричество, исследователи успешно сконструировали оптимизированный путь, который охватывает внутреннюю и внешнюю мембраны клетки. Этот новый путь превзошел предыдущие частичные подходы и привел к трехкратному увеличению выработки электрического тока по сравнению с традиционными стратегиями.
Важно отметить, что сконструированная E. coli продемонстрировала замечательные характеристики в различных средах, включая сточные воды, собранные с пивоварни. В то время как экзотические электрические микробы не показали результата, модифицированная E. coli оказалась пригодной, демонстрируя свой потенциал для крупномасштабной переработки отходов и производства энергии.
«Вместо того, чтобы направлять энергию в систему для переработки органических отходов, мы производим электричество одновременно с переработкой органических отходов, убивая двух зайцев одним выстрелом», — говорит Богосян. «Мы даже протестировали нашу технологию непосредственно на сточных водах, которые мы собирали с Les Brasseurs, местной пивоварни в Лозанне. Экзотические электрические микробы даже не смогли выжить, в то время как наши биоинженерные электрические бактерии смогли экспоненциально процветать, питаясь этими отходами».
Результаты исследования выходят за рамки обработки отходов. Благодаря способности вырабатывать электричество из широкого спектра источников, сконструированная E. coli может быть использована в микробных топливных элементах, электросинтезе и биосенсорике — вот лишь несколько применений. Кроме того, генетическая гибкость бактерии означает, что ее можно адаптировать к конкретным условиям и исходному материалу, что делает ее универсальным инструментом для разработки устойчивых технологий.
«Наша работа весьма своевременна, поскольку сконструированные биоэлектрические микробы расширяют границы применения во все большем количестве реальных приложений», — говорит Мухиб, ведущий автор рукописи. «Мы установили новый рекорд по сравнению с предыдущим достижением, в котором использовался лишь частичный путь, и по сравнению с микробом, который использовался в одной из недавно опубликованных крупнейших работ в этой области. Учитывая все текущие исследовательские усилия в этой области, мы с нетерпением ждем будущего биоэлектрических бактерий и не можем дождаться, когда мы и другие продвинем эту технологию в новых масштабах».