"Мы сконструировали вариант бактерии E. coli, наиболее широко изученного микроба, приспособив её для выработки электроэнергии", - говорит профессор Ардемис Богоссян из EPFL. "Хотя существуют экзотические микробы, которые в естественных условиях вырабатывают электричество, они могут делать это только в присутствии определённых химических веществ. E. coli может расти на широком спектре источников, что позволило нам производить электричество в самых разных средах, в том числе в сточных водах".
В работе, опубликованной в журнале Joule, группа Богоссяна сообщает о революционном достижении в области биоэлектроники, расширив возможности обычной бактерии E. coli по выработке электричества. В работе описывается новый подход, который может произвести революцию как в области утилизации отходов, так и в производстве энергии.
Бактерии E. coli, или кишечные палочки, один из самых распространённых объектов биологических исследований, были использованы для получения электричества с помощью процесса, известного как внеклеточный перенос электронов (ВПЭ). Исследователи EPFL сконструировали бактерии E. coli таким образом, чтобы процесс ВПЭ в них был усилен, что делает их высокоэффективными "электрическими микробами". В отличие от предыдущих методов, которые требовали использования специальных химических веществ для производства электроэнергии, биоинженерные бактерии E. coli могут производить электроэнергию при метаболизме различных органических субстратов.
Одним из ключевых новшеств исследования является создание полного пути ВПЭ в E. coli, чего не было достигнуто ранее. Интегрировав компоненты из Shewanella oneidensis MR-1, бактерии, известной своей способностью вырабатывать электричество, исследователи успешно создали оптимизированный путь, охватывающий внутреннюю и внешнюю мембраны клетки. Этот новый путь превзошёл предыдущие частичные подходы и привёл к трехкратному увеличению выработки электрического тока по сравнению с традиционными стратегиями.
Важно отметить, что модифицированная кишечная палочка показала отличные результаты в различных средах, включая сточные воды, собранные на пивоваренном заводе. В то время как экзотические электрические микробы не справлялись с поставленной задачей, модифицированная кишечная палочка процветала, демонстрируя свой потенциал для крупномасштабной переработки отходов и производства энергии.
"Вместо того, чтобы вносить энергию в систему для переработки органических отходов, мы производим электроэнергию, одновременно перерабатывая органические отходы, и тем самым бьём двух зайцев одним выстрелом!" - говорит Богоссян. "Мы даже протестировали нашу технологию непосредственно на сточных водах, собранных на местном пивоваренном заводе Les Brasseurs в Лозанне. Экзотические электрические микробы даже не смогли в них выжить, в то время как наши биоинженерные электрические бактерии, питаясь этими отходами, размножались в геометрической прогрессии".
Последствия исследования выходят за рамки переработки отходов. Способная генерировать электроэнергию из широкого спектра источников, модифицированная кишечная палочка может быть использована в микробных топливных элементах, электросинтезе, биодатчиках - и это лишь некоторые из её применений. Кроме того, генетическая гибкость бактерии позволяет адаптировать её к конкретной среде и сырью, что делает её универсальным инструментом для разработки устойчивых технологий.
"Наша работа весьма своевременна, поскольку границы реального применения биоэлектрических микробов расширяются", - говорит Мухиб, ведущий автор рукописи. «Мы установили новый рекорд по сравнению с предыдущими современными исследованиями, которые опирались лишь на частичный путь, а также по сравнению с микробом, который использовался в одной из крупнейших работ, недавно опубликованных в этой области. Учитывая все текущие исследования в этой области, мы с нетерпением ждём будущего биоэлектрических бактерий, и не можем дождаться, когда мы и другие смогут продвинуть эту технологию в новые масштабы».
