Các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme bởi Plamen Atanassov, Chris Apblett, Scott Banta, Susan Brozik,Scott Calabrese Barton, Michael Cooney, Bor Yann Liaw, Sanjeev Mukerjee, và Shelley D. Minteer. Sẽ như thế nào nếu bạn có thể sạc pin điện thoại di động của bạn ngay lập tức bằng đổ nước ngọt của bạn vào nó? Các ứng dụng như vậy có thể là một con đường tắt lâu, nhưng Văn phòng Không quân Mỹ nghiên cứu khoa học được đầu tư vào một tương lai như bây giờ. Theo một sáng kiến nghiên cứu Đại học nhiều, giáo sư đại học từ khắp nơi trên cả nước đang tập trung vào một chương trình nghiên cứu năm năm để xem xét các thách thức kỹ thuật xung quanh một tế bào nhiên liệu mà sẽ chạy trên các loại đường đơn giản như những người tìm thấy trong thực phẩm hàng ngày của chúng tôi. Hinh 1 .Sơ đồ tổng quát của một tế bào nhiên liệu sinh học enzyme bao gồm một cực dương, xúc tác bởi oxidase thích hợp cho việc chuyển đổi nhiên liệu của sự lựa chọn hoặc một phức tạp của các enzym như vậy cho một quá trình oxy hóa hoàn toàn của nhiên liệu sinh học. Cực âm thường có tính năng oxidoreductase sử dụng oxy phân tử như các nhận điện tử cuối cùng và xúc tác giảm nước trong môi trường trung tính hoặc hơi chua. Những thách thức là rất lớn. Hầu hết các tế bào nhiên liệu thế giới hiện nay chạy bằng hydro. Tuy nhiên, như các nhiên liệu trở nên phức tạp hơn, quá trình oxy hóa này trở nên bao la phức tạp hơn. . Một khi nguyên tử carbon là trong nhiên liệu carbon monoxide của chất xúc tác tế bào nhiên liệu đặc trưng trở thành vấn đề. Các nhà nghiên cứu đang chuyển sang thế giới tự nhiên trong một nỗ lực để xem cách đường bị oxy hóa bởi các động vật để sản xuất điện. Sử dụng các enzym (chất xúc tác tự nhiên) dường như là câu trả lời, vì chúng không bị các vấn đề ô nhiễm của các chất xúc tác kim loại truyền thống . Chúng cũng vô cùng phong phú và rẻ để sản xuất, một cái gì đó mà các ngành công nghiệp rượu vang và chất tẩy rửa đã được biết đến trong nhiều thập kỷ. Nhưng áp dụng các enzym để ứng dụng điện tử là rất khác nhau từ việc các enzyme để làm sạch quần áo của chúng tôi. Đối với một, các enzyme không từ bỏ điện tử dễ dàng như chất xúc tác kim loại làm, mà có nghĩa là tạo ra một dòng điện từ các enzyme là khó khăn hơn nhiều. Các enzyme có thể được thực hiện để từ bỏ điện tử của chung với trung gian, nhưng sử dụng trung gian có thể gây ra các vấn đề khác trong các tế bào nhiên liệu. Men cũng không được sử dụng để ở đặt. Ở động vật, enzyme tồn tại tự do trong các tế bào của cơ thể, nhưng để làm việc trong một tế bào nhiên liệu, chúng phải được đặt trong một vị trí cụ thể và ở lại đó, một quá trình mà các nhà khoa học gọi immobilizing các enzym.cuối cùng, enzim thường tồn tại dài lâu. Một enzyme điển hình trong cơ thể con người chỉ kéo dài một vài ngày, nhưng có hiệu quả trong một máy tính xách tay hoặc một chiếc ô tô, một loại enzyme sẽ phải tồn tại nhiều tháng hoặc nhiều năm trước khi cần thay thế. Những lợi ích của công nghệ này là lớn như những rủi ro, tuy nhiên. Enzyme, như chúng tôi đã đề cập trước, có giá rẻ và phong phú.chúng còn màu xanh lá cây, và có thể được phát triển về số lượng bất cứ khi nào họ là cần thiết, như trái ngược với các chất xúc tác kim loại, cần được khai thác và tinh chế sử dụng các quy trình thân thiện môi trường tốn kém và ít. Họ cũng "chọn lọc", một từ mà các nhà khoa học sử dụng để mô tả khả năng của một loại enzyme để làm việc với một nhiên liệu rất cụ thể, và chỉ có nhiên liệu, do đó, sản phẩm phụ của một bước quá trình oxy hóa có thể là nhiên liệu cho các enzyme khác. Bằng cách thực hiện bước này, các enzyme có thể hình dung được sao chép những gì động vật đã biết làm thế nào để làm: chuyển đổi đường thành chỉ nước và carbon dioxide. Sau khi tất cả, có nhiều năng lượng trong một chiếc bánh rán jelly như bạn có thể tìm thấy trong 77 pin điện thoại di động. Nếu bạn có thể nhận được năng lượng đó ra, nó có thể có kết quả khá, , ngọt ngào. Các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme cơ bản chứa rất nhiều các thành phần tương tự như một tế bào hydro / oxy nhiên liệu: một cực dương. một cực âm, và một dấu phân cách. Tuy nhiên, thay vì sử dụng điện xúc tác kim loại ở cực dương và cực âm, chất điện được sử dụng là các enzym oxidoreductase. Đây là một lớp học của các enzyme có thể kích thích phản ứng oxy hóa khử. Vì các enzyme có tính chọn lọc Chất điện, phân cách có thể là một giải pháp điện phân, gel, hoặcpolymer. Hình 1 cho thấy một sơ đồ của một tế bào nhiên liệu sinh học chung oxy hóa glucose như nhiên liệu tại bioanode và giảm oxy nước tại biocathode. Các tế bào nhiên liệu sinh học đầu tiên được giới thiệu vào năm 1911 khi Potter men nuôi cấy và các tế bào E. Coli trên điện cực bạch kim, nhưng mãi đến năm 1962 trong đó các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme được phát minh sử dụng glucose oxidase enzyme oxy hóa glucose ở anode.Trong cuối cùng 45 năm qua, nhiều cải tiến đã được thực hiện trong các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme và những người có thể được tìm thấy ở một số xét articles Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề chính để xem xét với các tế bào nhiên liệu sinh học. Chúng bao gồm thời gian sống ngắn hoạt động, mật độ năng lượng thấp, và hiệu quả thấp do thường chỉ kết hợp một enzym để làm một quá trình oxy hóa một phần nhiên liệu sinh học phức tạp. Có một số giải pháp để giải quyết những vấn đề này, nhưng nhóm của chúng tôi là tập trung vào các giải pháp cho cố định và ổn định của các enzym, kỹ thuật của các enzym hoạt động tối ưu ở bề mặt điện cực, vận chuyển điện tử giữa enzyme và các nhà sưu tập hiện tại, tối ưu hóa hệ thống multienzyme, và phát triển các đặc tính tiêu chuẩn hóa giao thức cho cộng đồng nghiên cứu tế bào nhiên liệu sinh học nói chung. Cố định enzyme và ổn định Một phương Pháp để cố định enzym và ổn định đã được sử dụng các polyme micellar. Enzyme trong dung dịch thường hoạt động trong một vài giờ đến vài ngày. Có thể được mở rộng đến 7-20 ngày bằng trong liên kết hydrogel và với điện cực surfaces.4 Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Saint Louis đã mở rộng enzyme hoạt động tại bề mặt điện cực lớn hơn một năm bằng cách cố định trong micellar kỵ nước sửa đổi polymers.7-9 polyme Micellar, chẳng hạn như, Nafion và chitosan, có thể được sửa đổi để thích ứng kỵ nước lỗ micellar hoặc cấu trúc túi có kích thước tối ưu cho cố định enzym, trong khi cũng đảm bảo một kỵ nước và đệm pH vi môi trường cho hoạt động của enzyme tối ưu. Chiến lược này đã được chứng minh cả hai để tăng tuổi thọ hoạt động của enzym, nhưng cũng làm tăng hoạt động enzym của enzyme lên đến 2,5-fold.10 Thiết kế thích hợp của enzyme điện cực là một điều quan trọng cho việc tạo ra các hệ thống bioelectrochemical mới như tế bào nhiên liệu sinh học và cảm biến sinh học. Các hệ thống này thường liên quan đến các thỏa thuận phức tạp polyme ofimmobilization, trung gian oxi hóa khử, andenzymes phải tương tác với bề mặt điện cực. Tại Đại học Columbia, các nhà nghiên cứu đang sử dụng kỹ thuật protein để thiết kế đa chức năng protein và peptide có thể cả hai đơn giản hóa và cải thiện điện enzym. Để kết thúc này, họ đang tạo ra các protein có thể tự lắp ráp thành hydrogel hoạt tính sinh học với các hoạt động enzyme oxy hóa khử. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết cho sự kết hợp của các loại polyme trong hệ thống. Ngoài ra, các peptide có thể liên kết trung gian oxi hóa khử cũng đang được thiết kế. Cách tiếp cận kỹ thuật phân tử này nên đơn giản hóa đáng kể việc chế tạo, đặc tính, và lặp lại của giao diện bioelectrocatalytic sử dụng trong các thiết bị tương lai. Vận chuyền điện tử. Vấn đề quan trọng trong các tế bào nhiên liệu sinh học, cũng như trong bất kỳ loại tế bào nhiên liệu lowtemperature, là xúc tác của các quá trình điện cực. Quá trình oxy hóa của nhiên liệu, hãy nói đường, xúc tác bởi các enzyme như glucose oxidase (enzyme của cảm biến sinh học yêu thích của mọi thời đại) có thể được thực hiện trực tiếp hoặc có thể liên quan đến hòa giải oxi hóa khử. Quá trình oxy hóa enzyme trực tiếp yêu cầu các trang web hoạt động của enzym liên lạc ngay lập tức với bề mặt điện cực. Điều đó dường như không thể thay cho glucose oxidase bởi vì nó hoạt động được "chôn vùi" quá sâu trong các protein "vỏ" của phân tử enzyme khá lớn. Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia giải quyết vấn đề này bằng cách sửa đổi về mặt di truyền các enzyme để làm a nó dễ tiếp cận hơn để tiếp xúc với các điện cực. Rất nhiều protein đột biến có thể được thực hiện trong một ngày. Biết được ai sẽ làm việc là một phần của vấn đề. Sàng lọc nhanh các enzyme biến đổi gen đối với tài sản electrocatalytic của họ là nhiệm vụ của một nỗ lực hợp tác giữa các phòng thí nghiệm quốc gia Sandia và Đại học New Mexico. Các nhà nghiên cứu tại Đại học New Mexico cũng đang xem xét các vấn đề các men tiêu hóa / điện cực tương tác từ một góc độ khác nhau: chúng ta hãy rời khỏi enzyme một mình, có những điều mà chúng ta có thể làm với các điện cực của chính nó. Vật liệu cấu trúc nano, đặc biệt là các ống nano carbon, có thể được sử dụng. Ít nhất là họ có thể so sánh kích thước với các enzyme và các khuyết tật của họ có thể là một phần tốt để tương tác với các trang web hoạt động trực tiếp. Quá trình oxy hóa trực tiếp của đường glucose oxidase cố định trong một carbon ống nano biến đổi ma trận xốp cho thấy chúng ta có thể làm cho một anode hoạt động tại khoảng 400 mV (so với Ag / AgCl) .11 Điều này có nghĩa rằng chúng ta có thể bắt đầu "Đốt cháy" nhiên liệu tại một tiềm năng rất gần với một trong những cung cấp thông tin các nhiệt động lực học của hệ thống (xem hình. 2). Khi chúng tôi kết hợp với giảm trực tiếp của oxy, được xúc tác bởi có chứa đồng enzyme (laccases, bilirubin oxidase, hoặc ascorbate oxidase) tại một tiềm năng chỉ 50 mV dưới giá trị nhiệt động lực học, điều này cho phép chúng ta tùy chọn làm cho một tế bào nhiên liệu sinh học với điện áp như mạch mở cao như 1 V. Đối với tất cả điều này xảy ra, rất nhiều thứ cần phải được điều chỉnh, bề mặt men tương tác nhất của tất cả. Quá trình chuyển giao và định hướng enzyme là vô hạn tầm quan trọng trong chuyển điện tử trực tiếp. Phần còn lại là "đơn giản" kỹ thuật của các tài liệu, mà nên cho phép Hải quân Hoa Kỳ để vẽ như nhiều hiện nay càng tốt hình 2. Nguyên tắc thiết kế tế bào nhiên liệu sinh học tiếng tố cáo tiềm năng oxy hóa tối đa cho đường và tiềm năng nhiệt động lực học tương ứng giảm oxy ở pH trung tính. Tiềm năng oxi hóa khử của nhiều enzym và đồng yếu tố tương ứng của họ được hiển thị cùng với các tiềm năng "khu vực" có tiềm năng oxi hóa khử của các chất trung gian thông thường. Đường cong phân cực miêu tả màn trình diễn hiện nay điển hình cho chuyển điện tử trực tiếp và trung gian trong các điện cực tế bào nhiên liệu sinh học. Có thực sự là một cách khác: chúng ta có thể sử dụng trung gian. Đây là oxi hóa khử cặp có thể dễ dàng giao tiếp với cả hai enzym và các điện cực. Việc sử dụng các chất trung gian nên được đo bởi vì nếu tiềm năng của chúng là quá gần của các enzyme, động lực của các enzyme / trung gian hòa giải "tầng" sẽ là quá thấp. Nếu tiềm năng của chúng rơi quá xa của vị trí hoạt động enzyme, điện áp của pin sẽ bị ảnh hưởng (xem hình. 2). Một nhóm ở Đại học bang Michigan đang nghiên cứu những tác động của sàng lọc các chất trung gian oxi hóa khử (dựa trên hợp Osmium) có thể hỗ trợ cả hai quá trình anode và cathode. Thế oxi hóa khử những chất trung gian là du dương bằng cách thay đổi nhỏ trong hóa chất cấu trúc của các phối tử hữu cơ. Tất cả đều được triển khai như chuỗi bên của một polymer oxi hóa khử hình thành một không hydrogel bề mặt điện cực. Quá trình vận chuyển trong những chất hydrogel và trong các phương tiện truyền thông tôn xốp của enzyme điện cực tế bào nhiên liệu sinh học (nghĩ về nó như một miếng bọt biển) là một chủ đề riêng của mình. Sự hiểu biết sâu sắc về tác động giao thông trên động học sẽ cung cấp cho các nhóm phương tiện để giải quyết những vấn đề kỹ thuật "đơn giản" và để sản xuất như hiện nay nhiều càng tốt từ các điện cực bioenzymatic. Các con số hiện nay đang chuyển từ μA để mA/cm2. Oxy hóa hoàn toàn của nhiên liệu sinh học Một trong những vấn đề chính gây rắc rối cho các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme là mật độ năng lượng thấp do quá trình oxy hóa không hoàn toàn của nhiên liệu sinh học tại anode của các tế bào nhiên liệu sinh học. Ví dụ của quá trình oxy hóa hoàn toàn trong một tế bào nhiên liệu sinh học là enzyme cho quá trình oxy hóa của methanol sử dụng dehydrogenase rượu, aldehyde dehydrogenase, và format dehydrogenase.13 Với nhiên liệu sinh học phức tạp như glucose và sucrose, những con đường trao đổi chất enzyme là phức tạp hơn nhiều và bao gồm cả các enzyme oxidoreductase và các enzyme khác (kinase, etc) chịu trách nhiệm chuyển hóa hóa học. Các đường tế bào chịu trách nhiệm về sự cố enzyme của đường là con đường đường phân và chu kỳ của Kreb. Bắt chước những di động con đường tại một điện cực đòi hỏi cả khả năng để cố định chúng trong microenvironments thích hợp cho hoạt động của enzyme, giảm thiểu những hạn chế liên quan đến giao thông vận tải với các sản phẩm oxy hóa khuếch tán giữa enzyme và xử lý thực tế là các hoạt động enzyme của mỗi enzym là không tương đương, do đó, các enzyme giới hạn tốc độ trong hệ thống. Các các nhà nghiên cứu tại Đại học Saint Louis đang sử dụng nhấp chuột hóa học để tạo ra các phức enzyme giảm giới hạn vận tải và phát triển màng cố định enzym để đảm bảo vi môi trường thích hợp, nhưng các electrochemists đang chuyển sang các kỹ sư hóa học làm thế nào để xác định các enzyme hạn chế tốc độ trong hệ thống. Thiên nhiên đã phát triển mạng lưới trao đổi chất phức tạp để tạo ra năng lượng hóa học từ các nguồn nhiên liệu môi trường xung quanh. Các enzym tham gia vào các mạng này đã tiến hóa để triển lãm một điều khiển phân tán trên thông lượng của vật liệu thông qua các con đường để rằng không có nút duy nhất trong mạng lưới đại diện cho một nút cổ chai chi phối. Gần đây, đã có những tiến bộ thú vị trong lĩnh vực bioelectrochemical, như hệ thống đa enzyme đang được tạo ra cho các ứng dụng như các tế bào nhiên liệu sinh học và cảm biến sinh học. Nhưng, các hệ thống này thường được tạo ra sử dụng từ sinh vật khác nhau mà không tiến hóa để hoạt động với nhau và không được tối ưu hóa để hoạt động dưới trong điều kiện in vitro. Điều này có thể dẫn đến việc tạo ra các con đường chuyển hóa nơi kiểm soát động học của hệ thống là không tốt phân phối, và một nút duy nhất có thể thống trị hiệu suất tổng thể. Tại Đại học Columbia, các nhà nghiên cứu được áp dụng phân tích kiểm soát chuyển hóa để hiểu rõ hơn và cải thiện hiệu suất động của các tế bào nhiên liệu sinh học. Những hiểu biết này có thể được sử dụng để đảm bảo điều kiện hoạt động tối ưu cũng như lái xe lựa chọn các enzyme cần được sử dụng trong các mạng lưới trao đổi chất nhân tạo. tiêu chuẩn hóa Kỹ thuật đặc tính Do sự phức tạp và nhạy cảm của enzym đối với việc chế tạo điện cực và sửa đổi, đặc trưng của các hoạt động enzyme đặc biệt khó khăn để so sánh nền tảng chéo. Một giải pháp có thể là sử dụng các cấu hình di động tiêu chuẩn hóa và kỹ thuật đặc tính cho phép so sánh như vậy để đức tin tốt nhất. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Hawaii đã được tham gia vào nỗ lực như vậy để thiết kế và phát triển phù hợp với mô-đun cấu hình di động có thể được chia sẻ giữa các phòng thí nghiệm để tiến hành công trình nghiên cứu so sánh để tạo thuận lợi cho việc chia sẻ và chuyển giao kiến thức giữa các cộng tác viên. Bằng cách sử dụng một hình học thông thường và kích thước, điện trường và hình học lò phản ứng được duy trì giữa các thí nghiệm. Các Kết quả sau đó có thể được so sánh với một giả định về hình học thông thường và lĩnh vực để loại bỏ sự mơ hồ xung quanh những vấn đề này, các phép đo để động có thể được đánh giá. Hình 3 là một hình ảnh của cấu hình di động tiêu chuẩn hóa được sử dụng. Kết luận Mặc dù các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme vẫn có tuồi thọ , mật độ năng lượng, và các vấn đề hiện đang được giải quyết hiệu quả, chúng có nhiều điểm hấp dẫn bao gồm: khả năng hoạt động tối ưu ở nhiệt độ từ nhiệt độ phòng và nhiệt độ cơ thể, sự linh hoạt của các loại nhiên liệu có thể được sử dụng, bao gồm cả nhiên liệu tái tạo (ví dụ, ethanol, glucose, sucrose, glycerol) và nhiên liệu truyền thống (ví dụ, hydrogen, methanol, vv); và sử dụng chất xúc tác bạch kim không tái tạo. Hai lĩnh vực ứng dụng chính mà đang được xem xét cho các tế bào nhiên liệu sinh học là enzyme trong cơ thể, cung cấp năng lượng cho các cảm biến và cấy ghép máy tạo nhịp và nguồn cung cấp điện ex vivo cho các thiết bị điện cầm tay nhỏ (mạng cảm biến không dây, thiết bị điện tử di động, vv.) Các thiết bị cấy ghép rất có thể sẽ sử dụng glucose như một nhiên liệu và gần đây tiến bộ của nhóm Heller đang cho thấy rằng các tế bào nhiên liệu sinh học có thể được cấy ghép và tiếp tục hoạt động trong một cơ thể sống (một quả nho) .14 Đối với các ứng dụng cơ thể cũ, nhiều nhiên liệu đang được xem xét , từ rượu thành đường. Hình 4 cho thấy một ethanol 8-cell / oxy nhiên liệu sinh học tế bào chồng nguyên mẫu hoạt động một chiếc iPod. Sự lựa chọn nhiên liệu tối ưu sẽ là một chức năng của các ứng dụng cho các hệ thống này. Tất cả trong tất cả, nhiên liệu sinh học tế bào là một công nghệ giai đoạn đầu với nền tảng khoa học và rào cản kỹ thuật để vượt qua, nhưng Chúng là một công nghệ đầy hứa hẹn cho một số ứng dụng. [...]...Ethanol / không khí tế bào nhiên liệu sinh học ngăn xếp Mẫu thử nghiệm này, phát triển bởi Akermin, Inc vào năm 2006, quyền hạn một chiếc iPod Bức ảnh lịch sự của Akermin, Inc . trong các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme và những người có thể được tìm thấy ở một số xét articles Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề chính để xem xét với các tế bào nhiên liệu sinh học. Chúng. của nhiên liệu sinh học Một trong những vấn đề chính gây rắc rối cho các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme là mật độ năng lượng thấp do quá trình oxy hóa không hoàn toàn của nhiên liệu sinh học. ngào. Các tế bào nhiên liệu sinh học enzyme cơ bản chứa rất nhiều các thành phần tương tự như một tế bào hydro / oxy nhiên liệu: một cực dương. một cực âm, và một dấu phân cách. Tuy nhiên,