Pamela Silver erforscht die Verwendung von Tiefsee-Extremophilen, um neue Biokraftstoffe herzustellen. Sie beschrieb die Bakterien, mit denen sie arbeitet, als "wie kleine Batterien".
"Die Biologie ist die beste Chemikerin", sagte die Harvard-Wissenschaftlerin Pamela Silver. Das US-Energieministerium finanziert die Forschungsarbeiten von Silver zur Erforschung der Verwendung von Tiefsee-Extremophilen zur Herstellung neuer Biokraftstoffe. Sie beschrieb die Bakterien, mit denen sie arbeitet, als "wie kleine Batterien", die Elektronen bewegen. Ziel von Silver ist es, diese Meeresbakterien genetisch so zu programmieren, dass Kohlenstoff aus Luft oder Wasser zurückgewonnen und zu Kraftstoff verarbeitet wird. Dieses Interview ist Teil einer speziellen EarthSky-Reihe, Biomimicry: Nature of Innovation, die in Zusammenarbeit mit Fast Company erstellt und von Dow gesponsert wurde. Silver sprach mit Jorge Salazar von EarthSky.
Pamela Silver
Beschreiben Sie das Projekt, das Sie leiten ...
Unser Projekt erforscht das Reverse Engineering von Bakterien für Kraftstoff. Es handelt sich um ein DOE-finanziertes Projekt namens ElectroFuels Project. Es ergibt sich aus dem Bestreben des DOE, darüber nachzudenken, Biokraftstoffe von anderen Organismen als den üblichen abzuleiten.
Die Standard-Industrieorganismen können E. coli, Hefe oder sogar photosynthetische Bakterien sein. Aber es gibt viele andere Arten von Bakterien auf der Welt, die oft als extremophile Bakterien bezeichnet werden und tief im Ozean, in Entlüftungsöffnungen oder im Boden leben.
Einige dieser Bakterien sind in der Lage, Elektronen in sie hinein und aus ihnen heraus zu bewegen. Die Idee ist, dass diese Elektronen reduzierende Leistung oder Energie in Verbindung mit der Fixierung von CO2 oder Kohlenstoff liefern könnten, um einen Biokraftstoff zu produzieren.
Was ist neu an dieser Forschung?
Die Forschung ist ganz anders als das, was vorher gemacht wurde, und das hat sie für uns attraktiv gemacht. Für das Energieministerium ist der Himmel ziemlich blau. Es wird durch das so genannte ARPA-E-Programm finanziert, das abenteuerlustigere Forschung finanzieren soll. Neu ist hier die Idee, dass wir diese verschiedenen Arten von Mikroben oder Extremophilen auf unterschiedliche Weise verwenden, um Elektrizität aufzunehmen, Kohlenstoff zu binden und Kraftstoff zu produzieren. Das ist ein riesiges Unterfangen. Es unterscheidet sich jedoch von der Verwendung von Zuckerrohr als Kohlenstoffquelle für Kraftstoff oder der Verwendung von Sonnenlicht, wie Sie es bei Pflanzen oder photosynthetischen Bakterien verwenden würden.
Wie funktioniert das? Wie werden die Tiefseebakterien Brennstoffe herstellen?
Meeresbakterien Shewanella
Wir brauchen drei Dinge, die diese Bakterien tun müssen. Wir brauchen sie, um Elektrizität oder Elektronen aufzunehmen. Das ist ein Teil, den wir tun müssen. Zweitens müssen sie Kohlenstoff haben, weil Sie den Kohlenstoff benötigen, um den Kraftstoff zu produzieren. Und dann müssen wir sie konstruieren, um den Kraftstoff zu produzieren.
Das Energieministerium ist sehr daran interessiert, dass der Kraftstoff sozusagen transportverträglich ist. Dies hängt zum Teil mit dem Umgang mit Kraftstoff in den USA zusammen. Es ist sehr zentral. Es ist schwierig, Kraftstoffe zu verwenden, die Plastik oder bereits im Auto befindliche Gegenstände angreifen. Das ist es, was wir unter transportverträglichen Kraftstoffen verstehen. Deshalb haben wir uns für Octanol als Kraftstoff entschieden, da es energiereich und mit der vorhandenen Infrastruktur kompatibel sein sollte.
Es ist sehr schwierig, die Zellen dazu zu bringen, Elektronen aufzunehmen. Zuallererst müssen wir feststellen, dass sie es können und dass sie es mit einer Geschwindigkeit und in einem Ausmaß können, die ausreichen, um die Energie zur Herstellung des Kraftstoffs zu nutzen. Dies bedeutet die Kopplung eines lebenden Organismus - in diesem Fall einer Mikrobe - mit einer Elektrode, einem vom Menschen gebauten Festkörper, was jedoch nie in kommerziellem Maßstab geschehen ist. Drittens müssen wir je nach Organismus entweder einen Organismus verwenden, der bereits Kohlenstoff fixiert, oder die Kohlenstoff-Fixierung in den Zellen ausführen.
Wie sind diese Organismen?
In unserem Fall haben wir uns für Shewanella entschieden. Ich sollte sagen, dass mehrere andere Forschungsgruppen an diesen Bemühungen beteiligt sind. - die ElectroFuels Anstrengung - und sie verwenden verschiedene Arten von Bakterien. Einige verwenden eine, die Ralstonia genannt werden. Einige verwenden Geobacter.
Aber das gemeinsame Merkmal dieser Bakterien ist, dass sie irgendwie in der Lage sind, Elektronen durch sie hindurch zu bewegen. Shewanella ist am besten dafür bekannt, Elektronen aufzunehmen und sie tatsächlich aus der Zelle zu pumpen. Auf diese Weise kommt die Zelle mit ihrem Stoffwechsel zurecht, was zu einer Verringerung der Äquivalenz in der Zelle führt.
In Shewanella pumpen sie teilweise Elektronen aus. Die Menschen haben diese Tatsache tatsächlich genutzt, um mit Shewanella Elektronen von einem lebenden Organismus auf eine Elektrode zu übertragen. Wir wollen das Gegenteil tun. Wir wollen, dass sie Elektronen aufnehmen. Wir denken, dass dies möglich ist, weil sie bereits über diesen Mechanismus zum Bewegen von Elektronen verfügen. Wir denken, dass es möglich ist, dies umzukehren. Und tatsächlich haben wir das gezeigt.
Shewanella ließ auch sein Genom sequenzieren, was eine sehr hohe Priorität hat. Wir wissen alles über den Organismus in Bezug auf sein Genom. Es ist auch für die Technologien des Bioengineerings zugänglich - es ist biotechnologiefreundlich. Das ist in diesem Projekt wichtig.
Was bedeutet es, biotechnologiefreundlich zu sein?
Dies bedeutet, dass wir Gene oder DNA-Stücke einführen können - Gene, die bestimmte Funktionen für die Zelle bereitstellen. Wir können diese Gene nehmen und sie in die Zelle geben und sie dazu bringen, Dinge zu tun, die wir wollen.
Im Fall von Shewanella wollten wir beispielsweise Kohlenstoff fixieren. Es gibt ungefähr fünf verschiedene Methoden, mit denen die Erde Kohlenstoff bindet. Am häufigsten wird ein Enzym namens RuBisCo und der Calvin-Zyklus verwendet. Wir möchten versuchen, das in Shewanella zu integrieren.
Es gibt aber auch andere neu entdeckte Pfade, die wir ebenfalls zu konstruieren versuchen. Dies ist das erste Mal, dass diese anderen Pfade in einen anderen Organismus eingebaut werden. Das hat eine wissenschaftliche Komponente. Es geht nicht nur um die Anwendung.
Diese Fähigkeit, DNA auf vorhersehbare Weise von einer Art Organismus auf eine andere zu übertragen, ist der Kern unserer Tätigkeit.
Erzählen Sie uns mehr darüber, warum diese Tiefseebakterien, Shewanella oneidensis, für Wissenschaftler, die Energie erforschen, so interessant sind.
Bei der genetischen Veränderung dieser Organismen möchten wir sie für bestimmte Funktionen programmieren. In unserem Fall müssen wir sie so programmieren, dass sie Kohlenstoff aufnehmen, weil Sie Kohlenstoff benötigen, um die Kraftstoffmoleküle zu produzieren. Die Brennstoffmoleküle basieren alle auf Kohlenstoff. Es ist das, was wir aus dem Boden bekommen. Es ist, was Öl ist - fossiler Kohlenstoff. Bei der Verwendung von Kraftstoff wird Kohlenstoff verbrannt.
Wir müssen also Kohlenstoff, idealerweise aus der Atmosphäre, zurückgewinnen und diesen Kohlenstoff zu einem Brennstoffmolekül verarbeiten. Organismen tun das normalerweise nicht. Einige tun es bis zu einem gewissen Grad, aber diese Organismen tun es nicht.
Was ist das Ziel der Forschung, die Sie durchführen, und wie sehen Sie, dass sie letztendlich genutzt wird?
Ich möchte dies mit der Bemerkung vorwegnehmen, dass es mehrere Gruppen gibt, so dass die Regierung wirklich über die Wetten informiert ist. Einige werden erfolgreich sein und andere nicht. Und das ist gut. Wenn Sie risikoreiche Forschung betreiben, brauchen Sie das. Aber aus Sicht der Regierung ist es eine erstaunliche Idee, darüber nachgedacht zu haben.
Es gibt andere Quellen für Biokraftstoffe. Sie haben Pflanzen, die Sonnenlicht ernten. Möglicherweise haben Sie von Cyanobakterien oder photosynthetischen Bakterien gehört, die in großen Teichen wachsen. Dies eröffnet die Möglichkeit, gentechnisch veränderte Organismen in der Umwelt zu haben. Einige Leute mögen sich damit unwohl fühlen. Der Vorteil dieses Prozesses wäre, dass der Organismus nicht unbedingt der Umwelt ausgesetzt sein muss. Es braucht kein Licht, um zu wachsen. Es könnte unter der Erde sitzen, und die Stromquelle könnte alles sein. Es könnte Solar sein. Es könnte Wind sein. Solange Sie auf den Organismus zugreifen können, verhält sich der Organismus wie eine Batterie oder eine kleine Produktionsfabrik, in die Sie Strom pumpen und dann Kraftstoff herauspumpen. Aber es ist beschlagnahmt, so dass Sie sich nicht mit diesem Problem befassen müssen, das die Öffentlichkeit möglicherweise für einen Großteil eines bestimmten gentechnisch veränderten Organismus hält, der möglicherweise in einem offenen Teich oder so rauskommt. Dies setzt voraus, dass Sie die Freilandhaltung für beispielsweise photosynthetische Mikroben verwenden. Sie können oder können nicht; Sie könnten einen geschlossenen Bioreaktor bauen, was eine große Herausforderung ist und an der auch die Leute arbeiten sollten. Ich denke, es gibt übrigens keine Lösung. Dies kann einen Teil einer größeren Lösung darstellen.
Was halten Sie von Biomimikry, lernen, wie die Natur Dinge tut, und wenden dieses Wissen auf menschliche Probleme an?
Der biomimetische Teil in unserem Fall würde aus der Tatsache stammen, dass diese Organismen bereits Elektronen verwenden. Sie wirken wie kleine Batterien. Diesen Aspekt der Biologie nutzen wir, um dieses spezielle Problem der Biokraftstoffe zu lösen.