Pamela Silver đang khám phá việc sử dụng các cực đoan đại dương sâu để tạo ra nhiên liệu sinh học mới. Cô ấy đã mô tả các vi khuẩn mà cô ấy làm việc giống như là một cục pin nhỏ.
Nhà khoa học sinh học là một nhà hóa học giỏi nhất hiện nay, nhà khoa học Harvard, bà Pamela Silver. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ cho nghiên cứu Silver, khám phá việc sử dụng các cực trị đại dương sâu để tạo ra nhiên liệu sinh học mới. Cô ấy đã mô tả các vi khuẩn mà cô ấy làm việc giống như là một loại pin giống như những viên pin nhỏ di chuyển xung quanh. Mục tiêu của Silver Bạc là lập trình di truyền các vi khuẩn đại dương này để thu hồi carbon từ không khí hoặc nước và xử lý nó thành nhiên liệu. Cuộc phỏng vấn này là một phần của loạt EarthSky đặc biệt, Biomimicry: Nature of Innovation, được sản xuất với sự hợp tác của Fast Company và được tài trợ bởi Dow. Bạc đã nói chuyện với EarthSky, ông Jorge Salazar.
Bạc
Mô tả dự án bạn dẫn đầu
Dự án của chúng tôi khám phá kỹ thuật đảo ngược của vi khuẩn cho nhiên liệu. Nó là một dự án do DOE tài trợ có tên là Dự án ElectroFuels. Nó bắt nguồn từ khát vọng của DOE khi nghĩ về việc lấy nhiên liệu sinh học từ các sinh vật không phải là sinh vật tiêu chuẩn.
Các sinh vật công nghiệp tiêu chuẩn có thể là e-coli, nấm men hoặc thậm chí là vi khuẩn quang hợp. Nhưng có nhiều loại vi khuẩn khác trên thế giới, thường được gọi là cực đoan, sống sâu dưới đại dương, trong lỗ thông hơi hoặc trong đất.
Một số vi khuẩn này có khả năng di chuyển các electron trong và ngoài chúng. Ý tưởng là những electron đó có thể cung cấp năng lượng hoặc năng lượng giảm cùng với việc cố định CO2, hoặc carbon, để tạo ra nhiên liệu sinh học.
Có gì mới về nghiên cứu này?
Nghiên cứu này khá khác so với những gì đã diễn ra trước đó, và điều đó đã thu hút nó với chúng tôi. Nó cũng có bầu trời khá xanh cho Bộ Năng lượng. Nó được tài trợ bởi một thứ gọi là Chương trình ARPA-E, có nghĩa là để tài trợ cho nghiên cứu theo phong cách mạo hiểm hơn. Những gì mới ở đây là ý tưởng rằng chúng ta sẽ sử dụng các loại vi khuẩn hoặc cực đoan khác nhau theo những cách khác nhau, để lấy điện, gắn carbon và sản xuất nhiên liệu. Đó là một công việc rất lớn. Nhưng nó khác với việc sử dụng mía làm nguồn carbon cho nhiên liệu hoặc sử dụng ánh sáng mặt trời, đó là những gì bạn sẽ sử dụng với thực vật hoặc vi khuẩn quang hợp.
Cái này hoạt động ra sao? Làm thế nào các vi khuẩn biển sâu làm nhiên liệu?
Vi khuẩn biển Shewanella
Có ba điều chúng ta cần những vi khuẩn này để làm. Chúng ta cần chúng bằng cách nào đó lấy điện hoặc điện tử. Đó là một phần mà chúng ta cần phải làm. Thứ hai, họ cần phải có carbon vì bạn cần carbon để sản xuất nhiên liệu. Và sau đó chúng ta cần phải thiết kế chúng để sản xuất nhiên liệu.
Bộ Năng lượng khá quan tâm rằng nhiên liệu là thứ gọi là called tương thích với giao thông. Điều đó phải làm một phần với cách xử lý nhiên liệu ở Hoa Kỳ. Nó rất tập trung. Nó khó sử dụng nhiên liệu ăn mòn nhựa hoặc những thứ có trong xe hơi. Đó là những gì chúng tôi có nghĩa là bằng nhiên liệu tương thích vận chuyển. Vì vậy, chúng tôi đã chọn Octanol làm nhiên liệu của mình, vì nó phải có năng lượng cao và tương thích với cơ sở hạ tầng hiện có.
Làm thế nào để có được các tế bào để nhận điện tử là rất khó khăn. Trước hết, chúng ta phải chứng minh rằng họ có thể làm điều đó, và họ có thể làm điều đó với tốc độ và ở mức độ đủ tốt để sử dụng năng lượng để sản xuất nhiên liệu. Điều này có nghĩa là sự ghép đôi của một sinh vật sống - trong trường hợp này là một vi khuẩn - với một điện cực, một vật thể rắn do con người tạo ra, đã được thực hiện nhưng không bao giờ ở quy mô thương mại. Sau đó, thứ ba, tùy thuộc vào sinh vật, chúng ta hoặc phải sử dụng một sinh vật đã cố định carbon hoặc kỹ sư cố định carbon vào các tế bào.
Những sinh vật này như thế nào?
Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi đã chọn Shewanella. Tôi nên nói rằng có một số nhóm nghiên cứu khác liên quan đến nỗ lực này. - nỗ lực của ElectroFuels - và họ sử dụng các loại vi khuẩn khác nhau. Một số sử dụng một cái được gọi là Ralstonia. Một số sử dụng Geobacter.
Nhưng đặc điểm chung của những vi khuẩn này là chúng bằng cách nào đó có khả năng di chuyển các electron thông qua chúng. Shewanella nổi tiếng nhất là lấy electron và thực sự bơm chúng ra khỏi tế bào. Nó có một cách mà tế bào đối phó trong quá trình trao đổi chất của nó với sự tương đương giảm thêm trong tế bào.
Ở Shewanella, một phần, họ bơm ra các điện tử. Mọi người đã thực sự sử dụng thực tế đó để sử dụng Shewanella để chuyển electron từ một sinh vật sống sang điện cực. Chúng tôi muốn làm điều ngược lại. Chúng tôi muốn có chúng chiếm điện tử. Chúng tôi nghĩ rằng điều đó có thể xảy ra bởi vì họ đã có cơ chế này để di chuyển các electron xung quanh, vì vậy chúng tôi nghĩ rằng nó có thể đảo ngược điều đó. Và trên thực tế, chúng tôi đã thể hiện điều đó.
Shewanella cũng có trình tự bộ gen của nó, đó là một ưu tiên rất cao. Chúng tôi biết mọi thứ về sinh vật về bộ gen của nó. Nó cũng có thể tuân theo các công nghệ sinh học - nó thân thiện với công nghệ sinh học. Điều đó rất quan trọng trong dự án này.
Nó có nghĩa là thân thiện với công nghệ sinh học?
Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể giới thiệu các gen hoặc các đoạn DNA - các gen cung cấp các chức năng nhất định cho tế bào. Chúng ta có thể lấy những gen đó và đưa chúng vào trong tế bào và khiến nó làm những việc chúng ta muốn nó làm.
Ví dụ, trong trường hợp của Shewanella, chúng tôi muốn sửa chữa carbon. Có khoảng năm cách khác nhau mà trái đất sử dụng để cố định carbon. Loại phổ biến nhất sử dụng enzyme có tên RuBisCo và chu trình Calvin. Chúng tôi muốn thử kỹ sư đó vào Shewanella.
Nhưng cũng có những con đường mới được phát hiện khác mà chúng tôi cũng đang cố gắng thiết kế. Đây sẽ là lần đầu tiên những con đường khác này được thiết kế thành một sinh vật khác. Có một thành phần khoa học này. Nó không phải là tất cả về ứng dụng.
Khả năng chuyển DNA từ một loại sinh vật này sang một loại sinh vật khác theo cách có thể dự đoán được là cốt lõi của những gì chúng ta làm.
Hãy cho chúng tôi biết thêm về lý do tại sao những vi khuẩn dưới biển sâu, Shewanella oneidensis, rất thú vị đối với các nhà khoa học nghiên cứu năng lượng?
Khi biến đổi gen các sinh vật này, chúng tôi muốn lập trình cho chúng thực hiện một số chức năng cụ thể. Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi cần lập trình cho chúng hấp thụ carbon, bởi vì bạn cần carbon để tạo ra các phân tử nhiên liệu. Các phân tử nhiên liệu đều dựa trên carbon. Nó leo lên những gì chúng ta có được từ mặt đất. Nó có nghĩa là dầu là gì - carbon hóa thạch. Và quá trình sử dụng nhiên liệu là đốt cháy carbon.
Vì vậy, chúng ta cần thu hồi carbon, lý tưởng nhất là từ khí quyển và xử lý carbon đó thành một phân tử nhiên liệu. Sinh vật don lồng thường làm điều đó. Một số người làm điều đó ở một mức độ nào đó nhưng những sinh vật này don don.
Mục tiêu của nghiên cứu mà bạn đang thực hiện, và bạn thấy nó cuối cùng được sử dụng như thế nào?
Tôi muốn mở đầu điều này bằng cách nói rằng có nhiều nhóm, để chính phủ thực sự bao trùm nó. Một số sẽ thành công và một số won thắng. Và nó được đấy. Khi bạn làm nghiên cứu rủi ro cao, bạn cần điều đó. Nhưng nó là một ý tưởng tuyệt vời từ quan điểm của chính phủ đã nghĩ về điều này.
Có những nguồn nhiên liệu sinh học khác. Bạn có cây, thu hoạch ánh sáng mặt trời. Bạn có thể đã nghe nói về vi khuẩn lam, hoặc vi khuẩn quang hợp phát triển trong các ao lớn. Điều này mang đến khả năng có các sinh vật biến đổi gen trong môi trường. Một số người có thể không thoải mái với điều đó. Ưu điểm của quá trình này là sinh vật không nhất thiết phải tiếp xúc với môi trường. Nó không cần ánh sáng để phát triển. Nó có thể ngồi dưới lòng đất, và nguồn điện có thể là bất cứ thứ gì. Nó có thể là năng lượng mặt trời. Nó có thể là gió. Miễn là bạn có thể tiếp cận sinh vật, sinh vật này hoạt động giống như một cục pin hoặc một nhà máy sản xuất nhỏ mà bạn sẽ bơm điện, và sau đó nó sẽ bơm nhiên liệu ra ngoài. Nhưng nó đã bị cô lập, vì vậy bạn không phải đối phó với vấn đề này mà công chúng có thể thấy là có rất nhiều sinh vật biến đổi gen đặc biệt có thể thoát ra nếu nói, trong một cái ao mở hoặc một cái gì đó. Điều đó giả định rằng bạn sẽ sử dụng nuôi ao mở để nói rằng vi khuẩn quang hợp. Bạn có thể hoặc không thể; bạn có thể xây dựng một lò phản ứng sinh học khép kín, đây là một thách thức lớn và mọi người cũng nên làm việc với điều đó. Nhân tiện, tôi nghĩ không có giải pháp nào cả. Điều này có thể cung cấp một phần của một giải pháp lớn hơn.
Suy nghĩ của bạn về sinh học, học cách tự nhiên làm mọi việc và áp dụng kiến thức đó vào các vấn đề của con người?
Phần sinh học trong trường hợp của chúng tôi sẽ đến từ thực tế là những sinh vật này đã sử dụng điện tử. Chúng hoạt động như những cục pin nhỏ. Chúng tôi sử dụng khía cạnh sinh học đó để giải quyết vấn đề đặc biệt này của nhiên liệu sinh học.