Генетически модифицированная кишечная палочка научилась вырабатывать электричество
Эффективность крошечных, многообещающих «биореакторов» поначалу оказалась слишком низкой для практического использования. Более того, выяснилось, что микробы могут быть удивительно разборчивы в выборе субстратов, которые они переваривают для производства электричества.
Группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института Лозанны (EPFL) разработала один из наиболее распространенных видов бактерий, Escherichia coli, для выработки электроэнергии из сточных вод пивоваренных заводов – и он превзошел самые последние биоинженерные штаммы.
«Хотя существуют экзотические микробы, которые естественным образом производят электричество, они могут делать это только в присутствии определенных химикатов», — объясняет старший автор и инженер-химик Ардемис Богосян из EPFL. — Э. coli может расти в самых разных источниках, что позволило нам производить электроэнергию в различных средах, в том числе из сточных вод».
Чтобы улучшить способность кишечной палочки генерировать электричество, исследователи модифицировали ее геном, включив в него инструкции для белковых комплексов, обнаруженных у Shewanella oneidensis, одного из самых известных бактериальных генераторов электричества. S. oneidensis создает поток электронов при восстановлении металлов — электрический сигнал, который использовался, например, для обнаружения токсичных металлов, таких как мышьяк, в прототипах систем.
Включив все компоненты пути генерации электричества S. oneidensis в E. coli, Мохаммед Мухиб, ведущий автор исследования, Богосян и его коллеги увеличили ее электроактивность в два раза по сравнению с ранее созданными штаммами (которые включали только часть S. oneidensis.
Однако эти эксперименты проводились в одной камере в лабораторных условиях. Настоящим испытанием для любой потенциальной технологии является то, сможет ли она работать в промышленных условиях.
Предыдущие исследования изучали использование водорослей для очистки сточных вод пивоваренных заводов. Этим заводам необходимо обрабатывать воду, которую они используют для промывки зерна и промывки резервуаров, перед сливом. Все потому, что она содержит пьянящую смесь сахаров, крахмалов, спиртов и дрожжей, которая может вызвать нежелательное цветение микробов, если ее сливать без очистки.
Поэтому команда протестировала свою систему E. coli на образце сточных вод, собранных на местной пивоварне в Лозанне, Швейцария. Модифицированные бактерии с радостью употребили все питательные вещества всего за 50 часов.
«Наши биоинженерные электрические бактерии смогли процветать в геометрической прогрессии, питаясь этими отходами», — рассказал Богоссян. Он отметил, что S. oneidensis, используемый в качестве сравнения, не был способен переваривать смешанные сточные воды.
По словам исследователей, это делает искусственно созданную кишечную палочку гораздо более подходящей для очистки промышленных сточных вод, хотя ее потенциал выработки электроэнергии все еще медленнее, чем у S. oneidensis. Пристрастие E. coli к различным химическим субстратам также означает, что сконструированные бактерии могут быть адаптированы к другим потокам отходов и сырью.