一条黑色背景的霓虹白色DNA 研究人员发现,密集排列的DNA可以稳定生物性电池所需的酶。
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生命的力量:这种生物电池利用了DNA的力量

太阳能和风能在为我们的世界提供能源方面发挥着更大的作用。但是,为了解决可再生能源的自然波动问题,需要大规模的存储:当太阳升起或有风时,就会产生过剩的发电量,而在夜间或静止的日子里,则会出现供应不足的情况。高容量电池是摆脱对化石燃料依赖的关键。在2017年,10千兆瓦的电池储存已经在世界范围内部署。国际可再生能源机构(International Renewable Energy Agency)估计,到2030年,全球大规模电池存储系统的装机容量将增加1亿千瓦至167亿千瓦。

合成生物学创新可以帮助过渡到更清洁和更节能的未来。其中一个创新是生物电池,一种由酶的生物燃料细胞,可分解燃料的有机化合物。大多数生物电池都尝试模仿天然系统的能量捕获级联,将葡萄糖转化为尽可能多的电子,因为它们可以通过酶促和催化反应断开双键。迄今为止,大多数生物电池型号都效率低下且低容量。但现在,国际研究团队可能会通过DNA推出这项技术。

一个基于dna Bio-Battery

生物电池的活力通常取决于三个因素。首先,级联的不同步骤之间必须有良好的扩散,其中副产物从一种酶有效地通过链中的下一个酶。固定这些酶也至关重要,使它们长时间操作,因为它们倾向于快速峰值,然后消失。最后,与电极本身的实际接触至关重要。一旦所有电子都被解放,他们需要离开电池的系统并通过电池的阴极进入电子设备。

英国生物技术公司之间的伙伴关系Touchlight遗传学Minteer研究小组犹他大学正在采用一种新的方法利用DNA制造生物电池。

“我们一直在努力寻找能固定大量蛋白质并防止其变性的材料,”敏特尔研究小组负责人雪莱·敏特尔说。该团队考虑了多种用于蛋白质变性的纳米材料和用于固定化酶的聚合物。“我们可以提出可以固定一些酶的聚合物,但不能大量使用。因此,DNA策略来自于尝试有一些东西,我们可以装载很多材料,但也会有生物兼容性。”

由于其双螺旋结构而言,DNA原因是一种很好的螺旋结构,它自然持有酶。此外,DNA天然在水凝胶形式中。固体和液体之间的杂交,DNA水凝胶提供了最好的两个状态:它足以使酶和液体足够固定,使得较小的分子和电子可以通过它移动。水凝胶套原位因此,它充当酶的支架,并且完全坚固抵抗电极。

Minteer的团队正在通过诱变改善酶的酶的电化学性能。它是目前级联的速率限制步骤。

为了使级联反应更有效,敏特尔使用了一种混杂的酶,除了它的主要反应外,还可以催化其他反应。Touchlight翻译公司副总裁萨拉·米尔索姆说:“大多数串联大约有13步长,通常使用13种不同的酶。”“雪莱能够找到一种混杂的酶,它能作用于不同的底物,这意味着这13个步骤可以被4种酶覆盖。”结果是使用三种酶的四步级联反应和一个能完全氧化乳酸分子的有机催化剂在一个阳极。

除了效率,基于dna的生物电池与传统燃料电池和锂离子电池相比还有几个优势。因为它们由DNA、酶、乳酸、蛋白质和水组成——如果它们的外壳是由可生物降解材料制成——基于DNA的生物电池是可生物降解的,而且毒性和危险性较小。它们也有可再生的潜力。

米尔索姆说:“你可以继续泵出辅助因子和燃料通过它们来再生酶。”此外,生物电池有可能充电更久,降低充电的能量成本,并解决与当今电池相关的一些生命周期问题。

建筑电池的合作方法

Touchlight和Minteer研究小组之间跨大西洋的大学-产业合作是一个偶然的发现。Touchlight正在探索DNA在生物制药之外的应用,而Minteer和她的团队需要大量的DNA来扩大规模和商业化他们的研究。为了向敏特尔的团队提供大量高密度DNA, Touchlight开发了一种提高DNA产量的工艺,该工艺以最浓缩的形式,但仍可加工。Minteer和她的团队用这些DNA制造了混合了酶和其他元素的水凝胶。

米尔索姆说:“这种关系从一开始就是正确的。”“我们可以把两种技术结合起来,创造新的东西。这就是成功的秘诀。”

该项目由美国海军全球研究办公室和英国国防科学技术实验室共同资助。Minteer说:“这是国际合作和为该项目获得资金的绝佳机会。”“DNA允许我们放入如此多的催化剂,我们可以得到我们目前的密度更高。而酶的级联帮助我们提高能量密度。”Minteer的酶级联与Touchlight的DNA相结合,使得生物电池的电流和能量密度都很高。

生物动力

一个白色的手机,带有两个部分和计算机芯片的手机盒
加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种可以监测血糖的手机壳。来源:加州大学圣地亚哥分校

大多数激发MILSOM的可能应用是长期储存的生物电池脱水。“你可以围绕巨大的电力容量 - 即使它具有相对低的电流密度 - 这几乎减重,然后在您需要时将其与新鲜或咸水重建,”她说。这对该领域的军事服务成员或作为灾区临时能源特别有用。

生物电池还可以作为智能手机和可穿戴设备等便携式设备的能源。Minteer说:“在电极表面放置大量蛋白质的概念对各种生物传感器都很有用,从健康传感器到糖尿病患者的葡萄糖传感器。”“能够添加更多的酶使它们更敏感,而灵敏度的提高可能意味着它们更准确。”

展望生物电池驱动的未来

尽管生物电池有着广阔的前景和应用前景,但它仍是一项新兴的技术。基于dna的生物电池项目仍处于概念验证阶段,从原型、测试到生产和采用可能需要5到10年的时间。

作为下一步,球队将采用与阴极相同的方法,因为它们用阳极进行了更有效的氧气减少。它们也将尝试使用锌指结构域 - DNA绑定模块,使团队能够沿DNA顺序排列酶,因此它们在正确的位置结合 - 看看效率是否有所提高。

最重要的是,该团队希望为他们基于dna的生物电池获得高电流和能量密度。Minteer说:“我们想要制造一种电池设备,它既不需要用能量密度来换取高电流密度,也不需要用电流密度来换取高能量密度。”“我们想要表明,这不是一种取舍——你可以兼得。”


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Rina戴安Caballar

Rina戴安Caballar

Rina Diane Caballar,菲律宾自由撰稿人,现居新西兰。她涵盖科技及其与科学、社会和环境的交叉领域。

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