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Mejores pilas de combustible que utilizan bacterias
¿Y si pudieras alimentar tu casa con aguas residuales? ¿O hacer funcionar su marcapasos con azúcar en sangre en lugar de una batería tradicional? Los científicos esperan que las pilas de combustible microbianas, dispositivos que utilizan bacterias para generar electricidad, puedan algún día hacer realidad esta visión.
Los científicos esperan diseñar nuevas cepas de bacterias que produzcan energía de manera más eficiente.
Si bien las celdas de combustible típicas usan hidrógeno como combustible, separando electrones para crear electricidad, las bacterias pueden usar una amplia variedad de nutrientes como combustible. Algunas especies, como Shewanella oneidensis y Rhodoferax ferrireducens , convierte estos nutrientes directamente en electrones. De hecho, los científicos ya han creado pilas de combustible microbianas experimentales que pueden eliminar la glucosa y las aguas residuales. Aunque estos organismos microscópicos son notablemente eficientes en la producción de energía, no producen suficiente para aplicaciones prácticas.
Tim Gardner , bioingeniero de la Universidad de Boston (y miembro del TR35 de 2004), ha desarrollado una nueva técnica para comprender las redes de genes que regulan las reacciones químicas que tienen lugar en las células bacterianas. El mapa resultante será un avance para el campo de la biología sintética: la búsqueda para diseñar y construir sistemas biológicos que puedan realizar funciones específicas. El equipo de Gardner tiene como objetivo aprovechar el sistema de control genético para diseñar bacterias que puedan producir energía de manera más eficiente.
Como prueba de funcionamiento de su técnica, Gardner y sus colaboradores analizaron la red reguladora de Escherichia coli , una bacteria común que se usa a menudo en estudios de investigación. Los investigadores identificaron más de 200 reguladores de genes que podrían usarse en circuitos de biología sintética. Y ahora están aplicando la tecnología a Shewanella bacterias.
Technology Review entrevistó a Tim Gardner sobre sus planes durante el Conferencia de biología sintética 2.0 , celebrada esta semana en la Universidad de California, Berkeley.
Revisión de tecnología : ¿Cuál es el potencial de las pilas de combustible microbianas?
Tim Gardner : Las pilas de combustible microbianas realmente podrían suceder, pero tenemos mucho camino por recorrer para mejorar la producción de energía. En este momento, la producción es tan baja que es poco probable que la tecnología pueda generar energía para hogares y automóviles. Pero hay algunas aplicaciones para las que las pilas de combustible podrían ser apropiadas. Algunos dispositivos no necesitan mucha energía o podrían beneficiarse de la capacidad de usar fuentes de combustible inusuales: un implante médico que obtiene energía de la sangre, por ejemplo, y nunca necesita cargarse. O robots en el campo que podrían tomar una planta y convertirla en energía.
NIÑOS : ¿Cómo mejorará el diseño de bacterias de la naturaleza?
TG : Queremos diseñar una celda de forma racional manipulando la maquinaria existente. Gran parte del trabajo inicial en biología sintética consistió en intentar construir dispositivos completos desde cero. Pero nos dimos cuenta de que estábamos fundamentalmente limitados utilizando un enfoque totalmente sintético: estábamos tratando de construir lo que la evolución había construido durante millones de años. Entonces dijimos, intentemos modificar lo que la evolución ya construyó.
NIÑOS : ¿En qué se diferencia su enfoque de las técnicas tradicionales de biología molecular?
TG : La gente ha estado modificando los sistemas genéticos durante años. Pero, en su mayor parte, es un enfoque de prueba y error. Modifican algo y ven qué pasa. Queríamos aportar una perspectiva a nivel de sistemas, para poder abordar el problema como un ingeniero. Para hacer eso, teníamos que saber más sobre los circuitos existentes, por lo que comenzamos a hacer un mapeo genético.
Nos hemos centrado en el mapeo de circuitos reguladores [una red de genes que controlan las reacciones químicas que tienen lugar en la célula]. Si está tratando de averiguar los circuitos de una casa, vaya al disyuntor y encienda y apague los circuitos, buscando el circuito que controla el baño o la cocina. Hacemos algo similar con las bacterias, pero es un poco más complicado. Hacemos hincapié en las bacterias de diferentes formas, con diferentes productos químicos o temperaturas extremas, y luego vemos cómo responde cada gen. Si hace esto cientos de veces, puede buscar genes que cambien juntos. Por ejemplo, si ve diferentes genes cuya expresión cambia de la misma manera en diferentes condiciones, podemos inferir que esos genes están relacionados. A continuación, podemos identificar las interacciones reguladoras de genes y mapear la red.
NIÑOS : ¿Qué vas a hacer con esta información?
TG : Tenemos la esperanza de ensamblar modelos reguladores del genoma completo en organismos nuevos, que podrían ser muy poderosos. Planeamos probarlo en organismos productores de electricidad, que producen electricidad directamente a partir de fuentes de carbono.
Acoplaremos la red reguladora con un modelo de la red metabólica [un mapa de las reacciones metabólicas de la célula], que es donde tiene lugar el verdadero negocio de convertir el carbono en electricidad. Luego, intentaremos predecir lo que sucederá si modificamos genes o nutrientes. Intentaremos decidir si podemos aumentar la producción de potencia o la eficiencia termodinámica del organismo y cómo hacerlo.
Comprender estas redes también podría ayudar a los científicos a construir circuitos artificiales desde cero. Los científicos ya han construido varias máquinas biológicas, como detectores de toxinas o cámaras bacterianas. . Esa fue una excelente ingeniería de circuitos, pero la mayoría de estos dispositivos se construyen con solo tres o cuatro componentes. Comprender los reguladores de genes ampliará la lista de partes que se pueden usar, porque los científicos comprenderán cómo afectarán las partes a la célula.