Metabolno inženirstvo in vitro za proizvodnjo bioelektrike preko popolne oksidacije glukoze
In vitro metabolic engineering of bioelectricity generation by the complete oxidation of glucose
Uvod
Potencialne prednosti metabolnega inženirstva in vitro so hitrejši potek reakcij, višji izkoristki, manj specifični reakcijski pogoji, večja toleranca na različne reaktante v sistemu in lažja izolacija produkta. Pridobivanje elektrike iz organskih molekul i nekoč lahko postalo zelo čist in učinkovit vir pridobivanje energije v obliki biobaterij in bi tako lahko predstavljalo alternativo zgolj sežiganju biogoriv. Kot osnovna organska molekula za pridobivanje bioelektrike se lahko uporabi glukoza, saharoza ali etanol in njim ustrezne oksidaze. Reakcije potekajo v posebnih encimskih gorivnih celicah, vendar je razvoj tovrstnih metabolnih poti še na začetku in encimske gorivne celice imajo zaenkrat slab izkoristek. Slab izkoristek je posledica tega, da je v sistemu običajno prisoten le en encim za oksidacijo organske molekule. Da bi učinkovitost tovrstnih sistemov izboljšali, bi bilo v torej potrebno uvesti več encimov, kar so sicer storili že v nekaterih predhodnih raziskavah, a so bili rezultati teh raziskav pomanjkljivi in nezanesljivi.
Umetna metabolna pot
V predstavljeni raziskavi pa so konstruirali ciklično metabolno pot dvanajstih encimov, in sicer za aktivacijo glukoze, oksidacijo ter regeneracijo. Aktivacijo glukoze katalizira polifosfat glukokinaza. Nato kaskadna encima glukoza-6-fosfat-dehidrogenaza (G6PDH) in 6-fosfoglukonat dehidrogenaza (6GPDH) oksidirata glukozo do ribuloza-5-fosfata. Na koncu poteče še regeneracija ribuloze-5-fosfata nazaj do glukoze z encimi pentoza-fosfatne poti in glukoneogeneze. Ko se cikel obrne šestkrat, je bilo porabljenih 24 elektronov, torej ena molekula glukoze.
Metode in materiali
Uporabljeni encimi so izvirali iz različnih arhej. Rekombinatne proteine so izrazili v sevu E. Coli BL21, in jih izolirali z različnimi tehnikami, in sicer Ni-kelatno kromatografijo, toplotno precipitacijo in afinitetno adsorbcijo. Po izolaciji in čiščenju so preverili njihovo aktivnost. Oksidacija glukoze je potekala v encimski gorivni celici, pri kateri je anodo predstavljal ogljikov papir in nanocevke v raztopini z encimi. Tudi katoda je bila izdelana iz ogljika, prevlečenega s plastjo platine, ki je bil izpostavljen zraku. Katoda in anoda sta bili ločeni z membrano. Iz encimske raztopine so s prepihovanjem odstranili kisik.v katero so dodali 15 ml raztopine encimov, dodali še glukozo do koncentracijo 2 mM, nato pa z amperometrom merili nastali tok. Po končani meritvi so določili, koliko glukoze je ostalo v gorivni celici in izračunali, koliko naboja se je generiralo na časovno enoto in kakšen je bil izkoristek proizvedenega naboja glede na celotno količino dostopnih elektronov.
Rezultati
Že prve meritve so pokazale, da je izkoristek tovrstne gorivne celice višji kot v dosedanjih primerih. Sprva je bila gostota izmerjenega toka 2,9 mA/cm2. Nastajanje toka so nato dodatno ojačali s tem, da so enega izmed encimov zamenjali z aktivnejšo različico, ter v mešanico dodali še dodaten encim, da bi pospešil eno izmed pretvorb, ki je bila sicer spontana. Končna gostota toka je bil 6,9 mA/cm2.
Razprava
Encimske gorivne celice imajo večjo proizvodno moč od mikrobnih. Ta se namreč giblje v območju nekaj do nekaj sto µW/cm2, medtem ko opisana encimska gorivna celica zlahka doseže moč v rangu mW/cm2. Raziskovalci menijo, da bi bile encimske gorivne celice uporabne kot biobaterije, medtem ko bi mikrobne gorivne celice lahko uporabili za proizvodnjo elektrike kot stranskega produkta odpadnih voda. Raziskovalci so tudi mnenja, da bi biobaterije v prihpdnsoti lahko nadomestile baterije na osnovi kovin, kakršne uporabljamo danes.
Zaključek
Raziskovalna skupina je uspešno sestavila umetno metabolno pot in vitro, ki je omogočala popolno oksidacijo glukoze za pridobivanje električne energije.
