Zavírené batérie  
Za bránami známeho amerického MITu vznikajú prototypy nabíjateľných batérií. K ich hlavným komponentom patria geneticky modifikované vírusy.

 

Zvětšit obrázek
Baktéria Escherichia coli (E. coli) napadnutá bakteriofágom M13. V laboratóriách sa bunky E. coli infikujú cielene geneticky upraveným vírusom. Baktéria sa tak stáva továrňou na jeho kópie.

Označenie M13 patrí dvom úplne odlišným objektom. Voľným okom sotva viditeľnej Veľkej hviezdokope v Herkulovi, s priemerom asi 150 svetelných rokov, no aj drobnému vírusu, ktorý sa podobá neviditeľnému vláknu s dĺžkou necelý jeden mikrometer (tisícina milimetra) a s priemerom asi 6 nanometrov (milióntin milimetra). Hviezdokopu môžeme len z veľkej diaľky obdivovať, zatiaľ čo vírus M13 v laboratóriách nielen podrobne skúmame, ale ho aj geneticky modifikujeme. Vytvárame z neho mikroskopického pomocníka pre selekciu a určovanie špecifických bielkovín, napríklad monoklonálnych protilátok. Dokážeme ho však meniť aj na vírusové elektródy nanometrových rozmerov.   

Vírus M13 nepredstavuje pre človeka priamu hrozbu, pretože cieľom jeho útoku sú bunky baktérie Escherichia coli (E. coli). Vírusy infikujúce baktérie nazývame bakteriofágy.

Zvětšit obrázek
Bakteriofág má len jednovláknovú DNA ktorá je genetickým programom pre 10 rôznych typov bielkovín – necelých 3000 molekúl proteínu p8 pokrýva takmer celý povrch vírusu, zvyšné 4 typy bielkovín sa v malých množstvách vyskytujú len na jeho koncoch. Z týchto koncových bielkovín je pre genetickú manipuláciu vhodný gén kódujúci proteín p3. Ním sa celý vírus pripája nielen k hostiteľskej bunke E. coli, ale po cielenej genetickej zmene k povrchu iného, hoci i anorganického materiálu.


Genóm bakteriofága M13 predstavuje uzavretý kruh jednovláknovej DNA. Je to reťaz 6 408 nukleotidov, v ktorých je v podobe 10tich génov zakódovaný program pre tvorbu desiatich rôznych bielkovín (proteínov). Z toho polovica, teda päť typov bielkovín, tvorí povrchovú vrstvu vírusu. A práve na dva z týchto povrchových proteínov sa už roky zameriavajú (nielen) biológovia. Cielene modifikujú gény, ktoré ich kódujú, zväčša tak, že do nich dodávajú ďalšie sekvencie nukleotidov. Povrchové bielkoviny, ktoré vznikajú na základe takto pozmeneného genetického programu sú obohatené o špecifické peptidy s vopred známymi vlastnosťami. Ide najmä o takouto manipuláciou vytvorenú schopnosť naviazať sa na konkrétne organické, či neorganické molekuly. Bakteriofág sa tým mení na nano-rozmerovú vzorovú štruktúru – akúsi šablónu, či templát, ktorá umožňuje z prostredia selektovať konkrétne látky, ktorými  sa doslova obalí. Napríklad na identifikáciu rôznych typov protilátok ponúkajú súkromné firmy, podnikajúce v oblasti molekulárnej biológie a genetiky, geneticky „vyšľachtené“ línie bakteriofágov, alebo časti DNA, ktoré sa vmanipulujú do príslušného génu vírusu. Po jeho rozmnožení v bunkách baktérie E. coli vzniká celá generácia s vhodne pozmeneným proteínom viažucim sa na konkrétnu vyhľadávanú látku. M13 si podobnú cestu našiel aj do úplne iných laboratórií a snaží sa o spoluautorstvo pri vývoji nových typov elektronických nano-súčiastok. 


Bakteriofág sa podobá ohybnému, veľmi tenkému organickému vláknu (asi 6 x 900 nm), ktorého celý povrch v pozdĺžnom smere  pokrýva asi 2700 molekúl jedného typu proteínu – proteínu p8 (obrázok vľavo). Zvyšné 4 typy povrchových bielkovín sa nachádzajú v oveľa menšom počte výlučne na koncoch – na každom iná dvojica (p3 + p6 a p9 + p7, kódujúce gény sú poznačené g3, g6, g9 a g7). Inšpirovaní biologickým využitím vírusu M13 sa aj vedci hľadajúci netradičné riešenia v oblasti elektrotechniky zamerali najmä na najpočetnejší povrchový proteín p8, pokrývajúci – až na koncové oblasti – celé vlákno bakteriofágu. Počas niekoľkých uplynulých rokov vytvorili niekoľko geneticky upravených typov M13 so schopnosťou viazať na pozmenenú bielkovinu p8 rôzne typy molekúl, alebo nanorozmerových častíc, čím na bakteriofágu vznikne niekoľko nanometrov tenká vrstva vodivého, alebo polovodičového materiálu. Jeden z najbežnejších vírusov sa tak zmení na organicko-anorganickú elektronickú nanosúčiastku. Ďalšou cieľovou bielkovinou je koncová p3 (obrázok vľavo). Zmenou jej genetického kódu je možné predurčiť k akému povrchu, látke, či častici sa vírus bude samovoľne pripájať týmto koncom vlákna práve pomocou bielkoviny p3. Väčšie množstvo vírusov pripojených na cieľovom povrchu vytvára len nanometre tenkú, pomerne rovnomernú vrstvu. Ak sú bakteriofágy na nej zároveň obalené do nanočastíc vhodného materiálu, celá vrstva môže predstavovať napríklad nový typ elektródy nano- a mikromerových rozmerov.

 

Zvětšit obrázek
Snímky z elektrónového mikroskopu – vírus obalený nanočasticami oxidov kobaltu a zlata. V detailnom zábere sú vidieť jednotlivé častice. Tmavšie bodky sú zlaté.
Kredit: Science 2008

Pokusov o vytvorenie biologických elektronických nanosúčiastok bolo nepochybne viac. Vedci z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare  roku 2007 naviazali na povrch genetického mutanta M13 polovodičové nanočastice selénia a kadmia a vodivého striebra. Zároveň pomenili vlastnosti koncového proteínu p3 tak, že sa výsledné organicko-anorganické polovodičové vlákna sami pripájali k povrchu kontaktného materiálu. Toto riešenie by podľa autorov mohlo predstavovať súčiastku do efektívnejších solárnych článkov.


Najnovším trendom sú však ekologické nabíjateľné batérie. Už  v roku 2006, v americkom Technickom ústave v Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology - MIT) uzrel svetlo sveta jeden z prvých prototypov novej miniatúrnej nabíjateľnej batérie. Základnou surovinou bol samozrejme geneticky modifikovaný bakteriofág M13, ktorý sa vďaka zmeneným vlastnostiam povrchového proteínu p8 obaľoval do 2 až 3 nanometro malých kryštálikov oxidu kobaltnato-kobaltitého (Co3O4). Tento kysličník má 3 x vyššiu elektrickú akumulačnú reverzibilnú kapacitu ako v súčasných lítiovo-iónových batériách používané elektródy (anódy) na báze uhlíka.

 

Zvětšit obrázek
Zjednodušená schéma tvorby batérie s vírusovými anódami.
Kredit: Science 2008

Do už takto zmodifikovaných vírusov vedci vložili ďalší úsek DNA, kódujúci peptid s povrchovou afinitou na zlato. Tento dvojnásobne upravený vírus namnožili v infikovanej bunke E. coli a pomocou následnej selekcie vytvorili nový typ M13, ktorý dokáže na svoj  povrch naviazať nielen nanočastice Co3O4, ale i čiastočky zlata s rozmermi do  5 nanometrov (milióntin milimetra). Prímes vzácneho kovu zlepšuje vodivosť v okolitej štruktúre z oxidov kobaltu a ešte o 30 % zvyšuje špecifickú elektrickú kapacitu elektródy a jej obnovovaciu schopnosť, dôležitú pre nabíjateľné batérie. 


Modifikácia koncového proteínu p3 spôsobila, že sa zlatom a oxidom kobaltu obalené vírusy spontánne zachytávali na povrch pevného elektrolytického polyméru, na ktorom vytvorili monovrstvu. Tak vznikla zaujímavá vírusová anóda s nádejnými vlastnosťami pre rozvoj nových nabíjateľných monočlánkov rôznych tvarov. Na druhej strane pevného elektrolytu je katóda, ktorú tvorí lítiová fólia - obrázok vpravo nižšie.

 

 

Zvětšit obrázek
Štruktúra batérie s anódou z vrstvy vírusov pokrytých oxidmi kobaltu.
Kredit Science 2008

Najnovšie číslo časopisu Science v článku Fabricating Genetically Engineered High-Power Lithium Ion Batteries Using Multiple Virus Genes predstavuje novú verziu nabíjateľnej batérie s oboma elektródami vytvorenými na vírusoch. Pochádza tiež z dielne MITu (Massachusetts Institute of Technology) a je pokračovaním predchádzajúcej práce v podstate toho istého výskumného tímu. Jeho šéfka Angela M. Belcherová zdôrazňuje, že nová batéria by mala byť úplne netoxická a šetrná k životnému prostrediu pri výrobe, používaní i likvidácii a navyše vraj aj finančne nenáročná. No nie na úkor špecifickej elektrickej kapacity a výkonu. V týchto parametroch by vraj nový typ batérie mal konkurovať najmodernejším nabíjateľným článkom a jej tvorcovia dokonca o ňom uvažujú ako o nádejnom zdroji pre hybridné autá, či rozmanitú osobnú elektroniku. 

Zvětšit obrázek
Angela M. Belcherová

Výskumný tím aj v tomto prípade siahol po osvedčenom víruse M13 a zmene v genetickom kóde pre spomínané povrchové proteíny p8 a p3. Do génu g8 vložili sekvenciu pre peptid, ktorý je schopný na seba naviazať nanometrové častice amorfného fosforečnanu železitého FePO4, takže sa povrch vírusu pokrýva týmto materiálom. Do génu pre koncový proteín p3 vložili úsek DNA s kódom pre peptid s vyskokou afinitou na uhlík. Ak sú takéto GMO vírusy obalené fosforečnanom železitým vložené medzi uhlíkové nanotrubičky, cez p3 proteín sa k nim pripájajú a vytvárajú tak navzájom previazanú, elektricky vodivú štruktúru. Elektróny putujú pozdĺž vysoko vodivých uhlíkových dráh tejto siete a prestupujú do fosforečnanu železa, kde odovzdávajú energiu. Celý proces sa deje dostatočne rýchlo, čo je dôležité pre využitie tohto hybridného, pomocou vírusu konštruovaného materiálu aj pre katódu. Schopnosť vírusu sa pripájať k sieti vodivých uhlíkových nanotrubičiek a tvoriť v nej kapacitné elektronické prvky vykompenzuje rozdiely vo výkonnosti elektródy na báze fosforečnanu železitého v porovnaní s kryštalickým fosforečnanom lítno-železnatým, ktorý sa používa ako katóda v určitom type klasických lítium-iónových batérií. Ďalšia cesta výskumu vraj povedie k testom iných materiálov s vyššou špecifickou kapacitou, na muške sú fosforečnany mangánu a niklu.
 
Susan Hockfieldová, prezidentka MITu prezentovala tieto nové prototypy nabíjateľných batérií na tlačovej besede o federálnej podpore nových, životné prostredie nezaťažujúcich technológií. Tlačovka sa konala v Bielom dome za účasti amerického prezidenta Baracka Obamu.



 

 

 
Vírus M13 obalený do nanočastíc fosforečnanu
železitého sa pomocou geneticky upraveného
koncového proteínu p3 pripája na stenu uhlíkovej
nanotrubičky. Zelená LED-dióda napojená na nový
typ batérie s "vírusovou" katódou.
 Funkčný predvádzací prototyp novej batérie.



Zdroj:  Science 1, 2, PNAS  

Datum: 07.04.2009 07:24
Tisk článku

Fyzika víry - Tichoplavov Vitalij, Tichoplavová Taťjana
 
 
cena původní: 298 Kč
cena: 262 Kč
Fyzika víry
Tichoplavov Vitalij, Tichoplavová Taťjana

Diskuze:

Žádný příspěvek nebyl zadán



Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace