Pamela Silver undersøger brugen af ekstremofile dybhav til at skabe nye biobrændstoffer. Hun beskrev bakterierne, som hun arbejder med, som at være "som små batterier."
"Biologi er den bedste kemiker derude," sagde Harvard-videnskabsmand Pamela Silver. Det amerikanske energiministerium finansierer Silvers forskning, der undersøger brugen af ekstremofiler på dybhavet til at skabe nye biobrændstoffer. Hun beskrev bakterierne, som hun arbejder med, som at være "som små batterier", der bevæger elektroner rundt. Silver's mål er genetisk at programmere disse havbakterier til at genvinde kulstof fra luft eller vand og forarbejde det til brændstof. Dette interview er en del af en speciel EarthSky-serie, Biomimicry: Nature of Innovation, produceret i partnerskab med Fast Company og sponsoreret af Dow. Silver talte med EarthSky's Jorge Salazar.
Pamela sølv
Beskriv det projekt, du leder ...
Vores projekt udforsker reverse engineering af bakterier til brændstof. Det er et DOE-finansieret projekt kaldet ElectroFuels-projektet. Det stammer fra en forhåbning fra DOE om at tænke på at udlede biobrændstoffer fra andre organismer end de almindelige.
Standardindustrielle organismer kan være e-coli, gær eller endda fotosyntetiske bakterier. Men der er mange andre slags bakterier i verden, ofte kaldet ekstremofile, der lever dybt i havet, i åbninger eller i jord.
Nogle af disse bakterier er i stand til at bevæge elektroner ind og ud af dem. Tanken er, at disse elektroner kan give reducerende energi eller energi kombineret med fiksering af CO2 eller kulstof til at producere et biobrændstof.
Hvad er nyt ved denne forskning?
Forskningen er meget anderledes end hvad der er sket forud for dette, og det var det, der tiltrækkede den for os. Det er også ret blå himmel til Department of Energy. Det finansieres af noget kaldet ARPA-E-programmet, som er beregnet til at finansiere mere eventyrlig forskning. Det, der er nyt her, er tanken om, at vi ville bruge disse forskellige slags mikrober eller ekstremofiler på forskellige måder, til at indtage elektricitet, anbringe kulstof og producere et brændstof. Det er en enorm virksomhed. Men det er anderledes end at bruge sukkerrør som kulstofkilde til brændstof eller bruge sollys, hvilket er, hvad du ville bruge med planter eller fotosyntetiske bakterier.
Hvordan virker det? Hvordan vil dybhavsbakterierne fremstille brændstoffer?
Marine bakterier Shewanella
Der er tre ting, vi har brug for, at disse bakterier skal gøre. Vi har brug for dem til en eller anden måde at indtage elektricitet eller elektroner. Det er den ene del, vi skal gøre. For det andet er de nødt til at have kulstof, fordi du har brug for carbonet til at producere brændstoffet. Og så er vi nødt til at konstruere dem til at producere brændstof.
Department of Energy er meget ivrig efter, at brændstoffet skal være det, der kaldes 'transportkompatibelt'. Det har delvis at gøre med den måde, hvorpå brændstof håndteres i USA. Det er meget centraliseret. Det er svært at bruge brændstoffer, der er ætsende over for plast eller ting, der allerede er i biler. Det er hvad vi mener med transport af kompatible brændstoffer. Så vi valgte Octanol som vores brændstof, fordi det skulle være højenergi og kompatibelt med den eksisterende infrastruktur.
Hvordan man får cellerne til at indtage elektroner er meget udfordrende. Først og fremmest må vi konstatere, at de kan gøre det, og at de kan gøre det med en hastighed og i et omfang, der er godt nok til at bruge energien til at producere brændstoffet. Dette betyder kobling af en levende organisme - i dette tilfælde en mikrob - med en elektrode, en menneskeskabt ting i fast tilstand, hvilket er blevet gjort, men aldrig i kommerciel skala. Derefter skal vi enten, afhængigt af organismen, bruge en organisme, der allerede fikserer kulstof eller konstruerer kulfiksering i cellerne.
Hvordan er disse organismer?
I vores tilfælde valgte vi Shewanella. Jeg vil sige, at der er flere andre forskningsgrupper, der er involveret i denne indsats. - ElectroFuels-indsatsen - og de bruger forskellige slags bakterier. Nogle bruger en, der kaldes Ralstonia. Nogle bruger Geobacter.
Men det fælles træk ved disse bakterier er, at de på en eller anden måde er i stand til at bevæge elektroner gennem dem. Shewanella er bedst kendt for at tage elektroner og faktisk pumpe dem ud af cellen. Det er en måde, som cellen klarer i sin stofskifte med ekstra-reducerende ækvivalens i cellen.
I Shewanella pumper de delvis ud elektroner. Folk har faktisk brugt det faktum til at bruge Shewanella til at overføre elektroner fra en levende organisme til en elektrode. Vi vil gøre det modsatte. Vi vil have dem til at optage elektroner. Vi tror, det er muligt, fordi de allerede har denne mekanisme til at flytte elektroner rundt, så vi tror, det er muligt at vende det. Og det har vi faktisk vist.
Shewanella havde også sit genom sekventeret, hvilket er en meget høj prioritet. Vi ved alt om organismen med hensyn til dens genom. Det er også tilgængeligt med teknologierne inden for bioingeniørering - det er bioteknologi venligt. Det er vigtigt i dette projekt.
Hvad betyder det at være bioteknologisk venlig?
Det betyder, at vi kan introducere gener eller stykker af DNA - gener, der giver visse funktioner til cellen. Vi kan tage disse gener og sætte dem i cellen og få den til at gøre ting, vi vil have det til at gøre.
For eksempel, i tilfælde af Shewanella, ville vi fikse kulstof. Der er omkring fem forskellige måder, som jorden bruger til at fikse kulstof. Den mest almindelige bruger et enzym kaldet RuBisCo og Calvin-cyklus. Vi vil gerne prøve at manipulere det til Shewanella.
Men der er også andre nyligt opdagede veje, som vi også prøver at konstruere. Dette er første gang, at disse andre veje nogensinde er konstrueret til en anden organisme. Der er en videnskabelig komponent til dette. Det handler ikke alt om anvendelse.
Denne evne til at overføre DNA fra en slags organisme til en anden på en forudsigelig måde er kernen i det, vi gør.
Fortæl os mere om hvorfor disse dybhavsbakterier, Shewanella oneidensis, er så interessante for forskere, der forsker på energi?
Ved genetisk modificering af disse organismer vil vi gerne programmere dem til at udføre visse specifikke funktioner. I vores tilfælde er vi nødt til at programmere dem til at optage kulstof, fordi du har brug for kulstof til at producere brændstofmolekylerne. Brændstofmolekylerne er alle kulstofbaserede. Det er hvad vi kommer ud af jorden. Det er hvad olie er - fossiliseret kulstof. Og processen med at bruge brændstof er forbrænding af kulstof.
Så vi er nødt til at genvinde kulstof, ideelt fra atmosfæren, og behandle dette kulstof til et brændstofmolekyle. Organismer gør normalt ikke det. Nogle gør det til en vis grad, men disse organismer gør det ikke.
Hvad er målet med den forskning, du laver, og hvordan ser du, at den i sidste ende bliver brugt?
Jeg vil forudse dette ved at sige, at der er flere grupper, så regeringen virkelig dækker dets indsatser. Nogle vil lykkes, og andre vil ikke. Og det er godt. Når du laver højrisikoforskning, har du brug for det. Men det er en forbløffende idé ud fra regeringens synspunkt at have tænkt på dette.
Der er andre kilder til biobrændstoffer. Du har planter, der høster sollys. Du har måske hørt om cyanobakterier eller fotosyntetiske bakterier, der vokser i store damme. Dette giver mulighed for at have genetisk manipulerede organismer i miljøet. Nogle mennesker kan være ubehagelige med det. Fordelen ved denne proces ville være, at organismen ikke nødvendigvis behøver at blive udsat for miljøet. Det behøver ikke lys for at vokse. Den kunne sidde under jorden, og strømkilden kan være alt. Det kunne være sol. Det kunne være vind. Så længe du har adgang til organismen, fungerer organismen på en måde som et batteri eller en lille produktionsfabrik, som du ville pumpe elektricitet i, og så pumpes brændstof ud. Men det er sekvesteret, så du behøver ikke at tackle dette problem, som offentligheden måske ser som at have en masse af en bestemt genetisk manipuleret organisme, der muligvis kommer ud, hvis det blev sagt, i en åben dam eller noget. Det antager, at du vil bruge åbent damlandbrug til at sige fotosyntetiske mikrober. Du må eller måske ikke; du kan muligvis bygge en lukket bioreaktor, hvilket er en stor udfordring, og folk bør også arbejde på det. Jeg tror der ikke er nogen løsning, forresten. Dette er muligvis en del af en større løsning.
Hvad er dine tanker om biomimik, lærer du hvordan naturen gør tingene og anvender denne viden til menneskelige problemer?
Biomimikardelen i vores tilfælde skyldes, at disse organismer allerede bruger elektroner. De fungerer som små batterier. Vi bruger dette aspekt af biologi til at løse dette særlige problem med biobrændstoffer.