Капсулы чистой энергии. Синтетическая биология продолжает творить чудеса в самых неожиданных областях

Крупнейшие города мира задыхаются в бензиновом смоге. Причина – сжигание в двигателях автомобилей органического топлива. В то же время, как давно утверждают сторонники развития термояда, мы буквально купаемся в неисчерпаемом источнике чистой и экологически дружественной энергии, единственным продуктом использования которой будет чистая вода.

Вода при разложении дает столь необходимые атмосфере кислород и водород. Сжигание водорода как минимум в два раза эффективнее с точки зрения получения электрической энергии, нежели сжигание углеводородов. Достаточно сказать, что на гремучей смеси Н2 и О2 успешно выводили шаттлы на орбиту. Проблема, однако, в нынешней дороговизне и неэффективности получения водорода из воды. Основанная причина – необходимость использования дорогостоящей платины в качестве катализатора электродных процессов при разложении воды на кислород и водород. Причем этот катализатор (используется также не менее дефицитный палладиевый катализатор) быстро «отравляется», то есть теряет свою эффективность. Поэтому вот уже многие годы химики ведут поиск замены благородному металлу при создании топливных элементов (fuel cells).

В Университете штата Вашингтон, похоже, реально продвинулись в решении этой проблемы. Исследователи соединили в моноатомном катализаторе активное железо с азотом и поместили их в пористый углерод (активированный уголь). Новый катализатор хорошо настраивается под разные режимы использования и к тому же не «отравляется» своими же продуктами. Ученые отмечают в журнале Advanced Energy Materials, что железо в форме FeN2 предпочтительнее кобальта, поскольку у него ниже энергетический барьер катализа. Электрокаталитические центры FeN2 дают напряжение 0,927 вольта, в то время как кобальт и платина – всего лишь 0,049 и 0,055 соответственно.

Авторы подчеркивают, что для коммерциализации дешевых катализаторов очень важны их высокая активность и стабильность. В Вашингтоне помимо солей железа и кобальта использована также важная добавка в виде глюкозамина, дающего пористый углерод, без которого был бы немыслим скачок эффективности моноатомных катализаторов. Немаловажно и то, что такие катализаторы легко получать в промышленных масштабах.

По другую сторону Атлантики, в Университете британских Кента и Бристоля, исследователи предложили использовать в качестве энергетических ячеек бактерии, вернее, ВМС в их цитоплазме. Речь идет о бактериальных микрокомпартментах – белковых образованиях почти сферической формы, включающие в свою полость ферменты для осуществления замкнутого цикла преобразований. Для загрузки полостей ВМС микроорганизмы используют короткие пептиды капсулирования (SEP – Short Encapsulation Peptides). SEP – это короткие цепочки аминокислот, которые способствуют направлению «грузовых» белков, переносящих в полость ВМС различные вещества. Что же сделали в Кенте?

С помощью кишечных палочек E. coli ученые создали рекомбинантные белки, благодаря которым наладили утилизацию веществ, ранее микроорганизмом не осуществлявшуюся. Для визуализации ВМС, чей диаметр не более 100–150 нанометров, был использован посаженный на их поверхность флюоресцентный протеин. То же делали и с белками внутри капсулы, что позволяет следить за прохождением реакций.

Новая технология манипулирования структурами обмена внутри бактерий сулит несомненные преимущества в деле создания чистых процессов получения различных продуктов, в том числе и для топлива для энергетики. Биотехнологи давно заглядывалась на ВМС, но никак не могли найти пути к реализации этого структурного «проекта». Одним из главных препятствий была невозможность нацеливания нужных метаболических процессов в полость ВМС. Биоинженерам Кента и Бристоля, создавшим два взаимодействующих пептида, удалось направить нужные белки к ВМС.

Это еще одно достижение зарождающейся на наших глазах синтетической биологии. Эта область открывает перспективы утилизации органелл для самого разного применения, начиная от получения новых видов горючего и лекарств и заканчивая созданием дешевых и эффективных вакцин против различных заболеваний. n