Dzięki eksperymentalnej platformie lepiej rozumiemy mikrobiologiczne ogniwo paliwowe
Aktywne elektrycznie bakterie mogą bezpośrednio podłączyć swój metabolizm oddechowy do swego środowiska pozakomórkowego, przenosząc elektrony przez błony biologiczne do elektrod. Dlatego też aktywne elektrycznie bakterie służą jako niedrogie katalizatory elektrod. Strategie wzmacniania ich mocowania i ułatwiania transferu elektronów mogą znacząco poprawić funkcjonowanie urządzeń bioelektrochemicznych.
Badanie aktywności białek bakterii aktywnych elektrycznie
Obecnie nie rozumiemy dokładnie mechanizmu transferu elektronów/protonów w bakteriach aktywnych elektrycznie. Niektóre z tych procesów mogą mieć negatywne skutki dla metabolizmu i stabilności biofilmu, ograniczając tym samym użyteczność biofilmów katalitycznych. Wiemy, że proces ten ułatwiają białka błonowe mające złożoną strukturę o właściwościach typowych dla reakcji redoks. Celem finansowanego przez UE projektu MELBA było pogłębienie tej wiedzy i zbadanie związanych z transferem ładunków właściwości występujących u białek aktywnych elektrycznie, Gram-ujemnych bakterii na potrzeby wykorzystania ich zastosowań biotechnologicznych. Przy wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie” naukowcy opracowali platformę elektrochemiczną, aby zbadać aktywność określonych białek pozyskanych z bakterii. „Skoncentrowaliśmy się na białkach z aktywnych elektrycznie bakterii – mikroorganizmów, które nie oddychają tlenem (tak jak my, ludzie, czy inne bakterie tlenowe), a zamiast tego wykorzystują redukcję pozakomórkowych substancji stałych, takich jak tlenki żelaza”, wyjaśnia koordynator projektu, Frédéric Barrière. Platforma obejmowała elektrodę pokrytą naturalnymi lipidami, tak by można było na niej umieścić obserwowane transbłonowe białka, stosując biomimetykę. Badacze pokryli elektrodę także cząsteczkami reagującymi na pH, takimi jak chinony, by zbadać zarówno transfer elektronów, jak i transfer protonów w bakteriach aktywnych elektrycznie. „Posługując się modelowym białkiem redoks, wykazaliśmy, że koncepcja ta działa i że tę samą elektrodę można wykorzystać do pomiaru zarówno transferu elektronów, jak i transferu protonów”, kontynuuje Barrière. Unieruchomienie cytochromu c w podpartej lipidowej strukturze na powierzchni elektrody węglowej umożliwiło zbadanie jego zachowania elektrochemicznego z wykorzystaniem cyklicznej woltamperometrii. Jedna z badaczek z projektu MELBA, Estelle Lebègue, planuje rozszerzyć zakres prac i wykorzystać platformę do dalszego badania różnych białek błonowych, które uzyskała z aktywnych elektrycznie bakterii.
Perspektywy na przyszłość dla technologii MELBA
Mikrobiologiczne układy bioelektrochemiczne mogą okazać się bardzo pomocne we wspieraniu przyszłego przejścia na ekologiczne źródła energii. Zasadniczo urządzenia te można wykorzystać w zakładach uzdatniania ścieków do oczyszczania wody poprzez utlenianie odpadów organicznych przy jednoczesnym wytwarzaniu energii elektrycznej. Jednakże ich skuteczność jest obecnie zbyt niska, aby można je było stosować na większą skalę. Potrzeba więcej podstawowych i stosowanych badań nad bakteriami i czynnikami, które wpływają na żywotność katalitycznego biofilmu. Platforma MELBA może przyczynić się do lepszego zrozumienia bakterii aktywnych elektrycznie oraz ich białek w celu użycia ich w urządzeniach elektrochemicznych. Zbadanie białek redoks umożliwiających transport protonów poza komórkę pozwoli zwiększyć żywotność mikroorganizmów aktywnych elektrycznie oraz katalitycznych biofilmów. W przyszłości platformę można wykorzystać również do testowania aktywności jonoforowej poprzez unieruchomienie odpowiednich czujników jonów na powierzchni elektrod. Łącznie platforma MELBA będzie używana do zastosowani biotechnologicznych, w których wykorzystuje się mikroorganizmy aktywne elektrycznie do katalizy, na przykład w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych lub w mikrobiologicznych ogniwach elektrolizy. Zważywszy, że alternatywne strategie w zakresie energii odnawialnej stają się priorytetem z uwagi na trudności wynikające ze zmiany klimatu, usprawnienie działania bakterii w ogniwach paliwowych pomoże rozwiązać problem obecnej zależności od energii elektrycznej uzyskiwanej z paliw kopalnych.
Słowa kluczowe
MELBA, bakterie aktywne elektrycznie, białko, elektroda, elektrochemiczny, błona, urządzenie elektrochemiczne, transfer protonów, transfer elektronów, ekstrakt