Szwajcarscy naukowcy zmodyfikowali genetycznie bakterie Escherichia coli tak, by te generowały energię elektryczną ze ścieków pochodzących z browaru. W swoich badaniach uczeni zastosowali nowatorskie podejście, które może zrewolucjonizować zarówno gospodarkę odpadami, jak i produkcję energii.
Od kiedy w 1911 roku brytyjski mykolog Michael Cressé Potter zauważył, że drożdże piwne wytwarzają energię elektryczną, naukowcy próbują wykorzystać tę cechę drobnoustrojów. Jednak do tej pory wydajność tych malutkich bioreaktorów była zbyt niska, by znaleźć dla nich praktyczne zastosowanie. Dodatkowy problemem było to, że drobnoustroje potrafią być wybredne w zakresie substratów, które trawią w celu wytworzenia elektryczności.
Teraz zespół naukowców z Politechniki Federalnej w Lozannie (École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) zmodyfikował jeden z najpowszechniejszych gatunków drobnoustrojów, bakterię Escherichia coli, znaczenie zwiększając jej zdolność do wytwarzania energii elektrycznej. Do tego zmodyfikowane bakterie już nie są tak wybredne i są zdolne produkować energię nawet ze ścieków browarniczych. Innowacyjne podejście szwajcarskich badaczy oferuje zrównoważone rozwiązanie w zakresie przetwarzania odpadów organicznych, otwierając również nowe horyzonty dla produkcji energii.
Wyniki i opis badań ukazał się na łamach pisma „Joule” (DOI: 10.1016/j.joule.2023.08.006).
- Zmodyfikowaliśmy bakterię E. coli, najpowszechniej badaną bakterię na świecie, tak, aby wytwarzała energię elektryczną – mówi profesor Ardemis Boghossian z EPFL. - Chociaż istnieją egzotyczne drobnoustroje, które w naturalny sposób wytwarzają energię elektryczną, mogą to robić jedynie w obecności określonych substancji chemicznych. Nasza E. coli może rozwijać się na wielu różnych substancjach, co pozwoliło nam wytwarzać energię elektryczną w różnorodnych środowiskach, w tym w ściekach – dodaje.
Bakterie E. coli zostały wykorzystane do wytwarzania energii elektrycznej w procesie znanym jako zewnątrzkomórkowy łańcuch przenoszenia elektronów (z j. ang. extracellular electron transfer, EET). Badacze z EPFL znacznie zwiększyli efektywność tego procesu tworząc wysoce wydajne mikroby elektryczne. W przeciwieństwie do poprzednich metod, które wymagały określonych środków chemicznych do wytwarzania energii elektrycznej, zmodyfikowana bakteria E. coli może wytwarzać energię podczas metabolizowania różnych substratów organicznych.
Do zwiększenia wydajność bakterii E. coli w zakresie wytwarzania energii, uczeni zmodyfikowali jej genom, dodając instrukcje wytwarzania pewnych kompleksów białkowych występujących w Shewanella oneidensis. To jedna z najbardziej znanych bakterii generujących energię elektryczną.
Integrując mechanizmy generujące energię elektryczną z S. oneidensis do E. coli, naukowcy trzykrotnie zwiększyli wydajność E. coli w produkcji energii. Zmodyfikowana bakteria E. coli wykazała się niezwykłą wydajnością w różnych środowiskach, w tym w ściekach zebranych z browaru. Podczas testów, gdy inne mikroorganizmy generujące elektryczność słabły, zmodyfikowana E. coli kwitła, ukazując swój potencjał w zakresie przetwarzania odpadów na dużą skalę i produkcji energii.
- Zamiast dostarczać energię do systemu przetwarzania odpadów organicznych, wytwarzamy energię elektryczną, przetwarzając jednocześnie te odpady – mówi Boghossian. - Przetestowaliśmy naszą technologię bezpośrednio na ściekach zebranych z Les Brasseurs, lokalnego browaru w Lozannie. Inne mikroorganizmy generujące elektryczność ( w tym S. oneidensis – przyp. red.) nie były nawet w stanie przetrwać w tym środowisku, podczas gdy nasze bakterie rozmnażały się wykładniczo, żywiąc się tymi odpadami – dodaje.
Konsekwencje badania wykraczają poza przetwarzanie odpadów. Będąc w stanie wytwarzać energię elektryczną z szerokiej gamy źródeł, zmodyfikowana bakteria E. coli może zostać wykorzystana w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych, elektrosyntezie i biosensorach. Ponadto elastyczność genetyczna bakterii oznacza, że można ją dostosować tak, aby przystosowała się do określonych środowisk i surowców, co czyni ją wszechstronnym narzędziem.
- Nasza praca nadeszła w odpowiednim czasie, ponieważ zmodyfikowane bakterie generujące elektryczność nadają się do coraz większej liczby zastosowań w świecie rzeczywistym – mówi Mohammed Mouhib, główny autor publikacji. - Ustanowiliśmy nowy rekord w porównaniu z poprzednimi rozwiązaniami. Przy wszystkich obecnych wysiłkach badawczych w tej dziedzinie, jesteśmy podekscytowani przyszłością tego typu bakterii bioelektrycznych i nie możemy się doczekać, aż my i inni wepchniemy tę technologię na nowy poziom – dodaje.
Źródło: EPFL, fot. Jamani Caillet (EPFL)/ CC BY-SA 4.0. Na zdjęciu pojemniki ze zmodyfikowanymi bakteriami.
