Уявіть собі, що ви керуєте бактеріями одним клацанням перемикача – вмикаєте та вимикаєте їхню здатність переробляти відходи, синтезувати нові матеріали або виробляти енергію. Така ідея дослідницької групи Ардеміса Богоссяна з Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL), де вчені перепрограмують бактерії для електронної взаємодії з довкіллям.
У новому дослідженні, опублікованому провідним співавтором, доктором Мохаммед Мухіб в журналі Advanced Science, дослідники показали, що можуть модифікувати E. coli для передачі електронів до поверхонь, що знаходяться в безпосередньому контакті з клітиною і на відстані від неї. Цей прогрес було досягнуто завдяки оснащенню клітин синтетичним електронним шляхом та програмуванню їх на вивільнення медіаторів – сполук, здатних переносити електрони через розчин зсередини клітини до зовнішніх поверхонь. Модифіковані бактерії виводять електрони з клітини, але, за словами дослідників, ці ж шляхи можна використовувати й для перенесення електронів у клітину.
«Е. coli в цьому дослідженні встановлює новий стандарт для біоінженерних бактерій, які від природи позбавлені здатності надсилати електронні сигнали», — каже Ардеміс Богоссян, головний автор нового дослідження. "Ми можемо використовувати електронні сигнали не тільки для моніторингу активності клітини, але і для керування нею".
Використання найуніверсальніших інженерів природи для біоелектроніки
Бактерії мають різноманітний метаболізм, що дозволяє їм процвітати в різних середовищах — від стічних вод до ґрунту. Однак менше ніж 1% відомих видів природно ефективно вивільняють або захоплюють електрони, що обмежує їх застосування в електроніці. Модифікація E. coli, одного з найбільш вивчених у біології видів, для виконання цих функцій значно розширює набір мікробів, доступних для біоелектроніки.
Комбінуючи два механізми, що взаємодоповнюються, — пряме перенесення електронів через модифіковані білкові шляхи й перенесення на великі відстані через медіатори, що вивільняються, — дослідники створили систему, яка підвищує ефективність перенесення електронів. Крім підвищення ефективності, поєднання різних шляхів може відкрити можливості для створення пристроїв на основі бактерій, що виконують кілька функцій, наприклад, одночасного виявлення різних хімічних речовин або перероблення різних відходів.
У своїй попередній роботі дослідники експресували певні перенесення білків електронів, здатні переносити електрони до прилеглих поверхонь. В останньому дослідженні ці клітини розвиваються, виробляючи та виділяючи медіатори. Медіатори часто додають в акумулятори та паливні елементи для підвищення продуктивності, але з часом вони можуть руйнуватися або витікати. Цей біоінженерний підхід дозволяє бактеріям виробляти та виділяти медіатори, створюючи мережу перенесення електронів, що самопідтримується.
Цей прорив розширює можливості електроніки, що інтегрує біологічні системи з електричними ланцюгами. Такі системи, що працюють на бактеріях, одного разу зможуть служити датчиками або біопаливними елементами, що самовідновлюються.
