Naujos kartos baterijas kurs virusai?

Angela Belcher rado būdą, kaip gamtos zombius paversti maža baterijų gamybos ir surinkimo linija. Tiesa, naujo ir galingo elemento sukūrimas gali būti tik pradžia, skelbia „Wired“.

2009 m. Masačusetso technologijos instituto (MIT) bioinžinerijos profesorė Angela Belcher išvyko į Baltuosius rūmus demonstruoti mažo akumuliatoriaus prezidentui Barackui Obamai.

Pasaulyje nėra daug baterijų, kurios sudomintų JAV lyderį. A. Belcher panaudojo virusus ličio jonų akumuliatoriaus teigiamėms ir neigiamėms elektrodams surinkti.

Tai inžinerinis proveržis, kuris pažadėjo sumažinti baterijų gamybos proceso toksiškumą ir padidinti jų veikimo laiką. B.Obama ruošėsi paskelbti 2 milijardų dolerių finansavimą pažangioms akumuliatorių technologijoms kurti.

Praėjus dešimtmečiui po to, kai ji demonstravo savo akumuliatorių Baltuosiuose rūmuose, virusų, gaminančių baterijas, galimybės pasikeitė. Mokslininkė sukūrė virusus, galinčius veikti su daugiau nei 150 skirtingų medžiagų, ir pademonstravo, kad jos technika gali būti naudojama gaminant kitas medžiagas, pavyzdžiui, saulės elementus. Jos svajonė keliauti „virusais varomame automobilyje“ vis dar neišsipildė, tačiau po ilgų darbo metų ji ir jos kolegos iš MIT yra linkę ištraukti technologiją iš laboratorijos į dienos šviesą.

Gamtos mikroskopiniai zombiai (virusai) dažnai panaikina skirtumą tarp to, ką mes laikome gyvu ir to, ką suvokiame kaip negyvą. Jie turi savo DNR, tačiau jie negali daugintis be šeimininko, o tai pašalina juos iš kai kurių gyvybės apibrėžimų. Vis dėlto, kaip parodė mokslininkė, šias savybes galima pritaikyti nanotechnologijoje, norint gaminti akumuliatorius, kurių energijos tankis, tarnavimo laikas ir įkrovimo greitis yra fantastiškas.

„Didėjantis susidomėjimas tyrinėjant nanodalelių medžiagas yra susijęs su akumuliatorių elektrodams“, – sako Konstantinos Gerasopoulos, vyresnysis mokslo darbuotojas, dirbantis su naujos kartos akumuliatoriais Johnso Hopkinso taikomosios fizikos laboratorijoje.

Anot jo, yra keletas būdų, kaip nanomedžiagas galima gaminti naudojant įprastus chemijos metodus. Biologinių medžiagų, tokių kaip virusai, naudojimo pranašumas yra tas, kad jos jau yra tokios „nano“ formos, taigi jos iš esmės yra natūralus šablonas arba pastoliai akumuliatorių medžiagų sintezei vykti.

Gamta rado daugybę būdų, kaip iš neorganinių medžiagų sukurti naudingas struktūras be virusų pagalbos. Mėgstamiausias A. Belcher pavyzdys yra briaunos apvalkalas, kuris yra labai struktūruotas nanoskalėje, lengvas ir tvirtas. Per dešimtis milijonų metų kai kurie moliuskai evoliucionavo taip, kad jų DNR gamina baltymus, išgaunančius kalcio molekules iš mineralų turtingos vandens aplinkos ir nusodinančius tvarkingais sluoksniais ant savo kūno.

Moliuskai niekada nesiruošė kurti akumuliatorių, tačiau mokslininkė suprato, kad tas pats pagrindinis procesas gali būti įgyvendintas virusuose, kad būtų galima sukurti žmonėms naudingas medžiagas.

„Mes ruošėmės biologiškai kontroliuoti nanomedžiagas, kurios įprastai nėra biologiškai auginamos“, – sako A. Belcher.

Mokslininkė pasirinko bakteriofagą M13, cigaro formos virusą, kuris dauginasi bakterijose. Nors tai nėra vienintelis virusas, kurį galima naudoti nanotechnologijoms, tyrėja sako, kad jis veikia gerai, nes jo genetine medžiaga lengva manipuliuoti.

Dėl natūralių ar inžinerinių kai kurių virusų DNR mutacijų virusai įsitvirtins medžiagoje. Tada mokslininkai išgauna šiuos virusus ir naudoja juos užkrėsti bakteriją, kurios rezultatas yra milijonai identiškų viruso kopijų. Šis procesas kartojamas vėl ir vėl, ir su kiekviena iteracija virusas tampa tikslesnio akumuliatoriaus architektu.

Genetiškai modifikuoti virusai negali atskirti akumuliatoriaus anodo nuo katodo, tačiau jiems to nereikia. Jų DNR užprogramuota atlikti tik paprastą užduotį, tačiau, kai milijonai virusų tą pačią užduotį atlieka kartu, jie gamina tinkamą medžiagą.

Genetiškai modifikuotas virusas gali būti sukonstruotas taip, kad jo paviršiuje būtų ekspresuojamas baltymas, kuris pritraukia kobalto oksido daleles, kad padengtų jo kūną. Papildomi baltymai viruso paviršiuje pritraukia vis daugiau kobalto oksido dalelių. Tai iš esmės sudaro kobalto oksido nanosieną, sudarytą iš susietų virusų, kurie gali būti naudojami akumuliatoriaus elektrode.

Šis procesas suderina DNR sekas su periodinės lentelės elementais ir sukuria pagreitintą nenatūralios atrankos formą. Koduojant DNR, virusas gali įsitvirtinti geležies fosfate, tačiau, jei kodas yra pažymėtas, virusas gali pasirinkti kobalto oksidą. Techniką būtų galima išplėsti į bet kurį periodinės lentelės elementą, tereikia surasti ją atitinkančią DNR seką.

Šia prasme tai, ką daro mokslininkė, nėra taip toli nuo selektyvaus veisimo, kurį vykdo šunų mylėtojai, kad sukurtų veisles su estetinėmis savybėmis, kurios vargu ar kada nors pasirodys gamtoje.

A. Belcher panaudojo savo virusų surinkimo techniką, kad sukurtų elektrodus ir pritaikytų juos įvairių tipų akumuliatoriams. Ląstelė, kurią ji demonstravo Obamai, buvo standartinė ličio jonų monetos formos baterija, kurią galite rasti laikrodyje. Ji buvo naudojama mažam šviesos diodui maitinti.

Tačiau dažniausiai A. Belcher naudojo elektrodus su egzotiškesnėmis cheminėmis medžiagomis, tokiomis kaip ličio-oro ir natrio-jonų baterijos. Priežastis, pasak jos, ta, kad ji nematė daug prasmės bandydama konkuruoti su nusistovėjusiais ličio jonų gamintojais.

„Mes nesistengiame konkuruoti su dabartinėmis technologijomis. Man įdomu, ar biologija gali būti naudojama kai kurioms problemoms, kurios iki šiol nebuvo išspręstos, išspręsti“, – teigė ji.