Elektřina z cukru
Nezařaditelné
-
gupa
- Příspěvky: 2192
- Registrován: sob pro 29, 2012 10:22 pm
- Lokalita: pod Brnem
- Systémové napětí: 24V
Elektřina z cukru
Originální článek:
https://www.nature.com/articles/ncomms4026
Přeloženo díky Google
Publikováno:21. ledna 2014
Cukrová biobaterie s vysokou energetickou hustotou založená na syntetické enzymatické dráze
Zhiguang Zhu ,Tsz Kin Tam ,Fangfang Sun ,Chun You &Y. -H. Percival Zhang
Příroda komunikace hlasitost 5 , Číslo článku: 3026 ( 2014 ) Citovat tento článek
38 tisíc přístupů
202 Citace
455 Altmetric
Metrikypodrobnosti
Tento článek byl aktualizován
Abstraktní
Zelené a bezpečné baterie s vysokou energetickou hustotou jsou vysoce žádoucí pro uspokojení rychle rostoucích potřeb přenosné elektroniky. Neúplná oxidace cukrů zprostředkovaná jedním nebo několika enzymy v enzymatických palivových článcích trpí nízkou hustotou energie a pomalými reakčními rychlostmi. Zde ukazujeme, že téměř 24 elektronů na glukózovou jednotku maltodextrinu může být produkováno syntetickou katabolickou cestou, která zahrnuje 13 enzymů v enzymatickém palivovém článku dýchajícím vzduch. Tento enzymatický palivový článek je založen na neimobilizovaných enzymech, které vykazují maximální výstupní výkon 0,8 mW cm - 2 a maximální hustotu proudu 6 mA cm- 2, které jsou mnohem vyšší než hodnoty pro systémy založené na imobilizovaných enzymech. Enzymatické palivové články obsahující 15% (hmot./obj.) roztok maltodextrinu mají hustotu akumulace energie 596 Ah kg- 1 , což je o jeden řád vyšší než u lithium-iontových baterií. Biobaterie poháněné cukrem by mohly sloužit jako zelené zdroje energie nové generace, zejména pro přenosnou elektroniku.
Úvod
Rychle rostoucí poptávka po napájení přenosných elektronických zařízení je hnacím motorem vývoje lepších baterií s vlastnostmi, jako je zvýšená hustota skladování energie, vysoká úroveň bezpečnosti, rychlé dobíjení, biologická rozložitelnost a malé ekologické stopy 1 . Dobíjecí lithium-iontová baterie je často preferovaným systémem, protože nabízí vysokou hustotu energie, má flexibilní a lehkou konstrukci a má delší životnost než srovnatelné technologie baterií 1 , 2 . Hustota akumulace energie typické lithium-iontové baterie je ~0,54 MJ kg −1 (tj. 150 Wh kg −1). Široké používání kovem katalyzovaných baterií také vyvolává mnoho obav, které se týkají především bezpečnosti, znečištění toxickými kovy a dostupnosti drahých, omezených, nenahraditelných nebo vzácných zdrojů kovů.
Enzymatické palivové články (EFC) jsou nově vznikající elektrobiochemická zařízení, která přímo přeměňují chemickou energii z různých paliv na elektřinu pomocí levných biokatalyzátorových enzymů 3 , 4 , 5 , 6 . Inspirované živými buňkami, které mohou využívat složité organické sloučeniny, například škrob a glykogen) jako skladované zdroje energie, představují cukrem poháněné EFC další generaci biologicky odbouratelných, vysoce bezpečných biobaterií. Ve srovnání s mikrobiálními palivovými články generují EFC obvykle mnohem vyšší hustotu výkonu v mW cm 2 . Tato funkce zdůrazňuje jejich velký potenciál pro napájení různých přenosných elektronických zařízení v blízké budoucnosti 5 , 7 , 8.
V zásadě mohou mít paliva používaná v EFC vysokou hustotu akumulace energie, pokud jsou zcela oxidována. Například spalovací energie glukózy je 15,5 MJ kg −1 . Glukóza může uvolnit až 3 574 Ah kg −1 , což je 85krát více než energie uvolněná lithium-iontovými bateriemi (42 Ah kg −1 ). Většina EFC běží na komplexních organických sloučeninách (například glukóza, metanol, glycerol a tak dále). Proto lze vysokých potenciálů hustoty akumulace energie dosáhnout pouze tehdy, pokud jsou tato paliva zcela oxidována na CO 2, jak se vyskytuje v živých buňkách prostřednictvím komplikovaných katabolických drah. Přirozené katabolické cesty však nemusí být pro praktické použití v EFC proveditelné, protože téměř všechny tyto cesty vyžadují nákladná a labilní činidla, jako je ATP, koenzym A a komplexní buněčné membrány. Neúplná oxidace organických paliv zprostředkovaná jedním nebo několika enzymy v EFC má za následek nízkou hustotu energie, plýtvání palivem a inhibici enzymů metabolickými produkty. In vitro syntetické enzymatické dráhy byly konstruovány na anodových kompartmentech v EFC pro hlubokou nebo úplnou oxidaci methanolu 9 , 10 , ethanolu 11 , glycerolu 12 a glukózy 13. Předchozí studie však neposkytly kvantitativní důkazy (například Faradayova účinnost) pro úplnou oxidaci organických paliv v mikrobiálních palivových článcích 14 , 15 .
Cukry jsou atraktivními palivy pro EFC, protože jsou hojné, obnovitelné, levné v $ GJ −1 , netoxické, bezpečné pro skladování a distribuci a uhlíkově neutrální po celý životní cyklus 16 . Škrob je v přírodě nejpoužívanější sloučeninou pro uchovávání energie. Katabolismus škrobu umožňuje pomalé a téměř konstantní uvolňování chemické energie v živých buňkách, která se liší od jeho monomeru glukózy 17 . Maltodextrin, částečně hydrolyzovaný škrobový fragment, je lepší palivo než glukóza v EFC, protože maltodextrin má o 11 % vyšší energetickou hustotu než glukóza. Maltodextrin je také méně nákladný, protože glukóza je hlavním produktem jeho enzymatické hydrolýzy a levný lineární maltodextrin lze vyrobit z celulózy 17. Ekvivalentní hmotnost maltodextrinu má mnohem nižší osmotický tlak než glukóza. Navíc může poskytovat pomalu metabolizovaný glukóza-1-fosfát pro stabilnější výrobu elektřiny v uzavřených EFC6 . Maltodextrin byl použit jako palivo pro EFC, ale na jednotku glukózy mohly být generovány pouze dva elektrony 6 .
V této studii je syntetická katabolická dráha bez ATP a CoA, která obsahuje 13 enzymů v EFC dýchajícím vzduch, konstruována tak, aby zcela oxidovala glukózové jednotky maltodextrinu, čímž se získá téměř 24 elektronů na glukózu. Zjistili jsme, že EFC založené na neimobilizovaných enzymech vykazuje maximální výstupní výkon mnohem vyšší než ty založené na imobilizovaných enzymech. Tyto biobaterie poháněné cukrem se vyznačují vysokou hustotou ukládání energie a vysokou bezpečností. Tyto baterie tedy představují mikrozdroje nové generace, které by mohly být užitečné zejména pro přenosnou elektroniku.
Výsledek
Srovnání neimobilizovaných a imobilizovaných enzymů
Imobilizace enzymů na povrchu vodivých elektrod je široce používána téměř ve všech EFC. Enzymy jsou imobilizovány pomocí různých metod, včetně zachycení gelu, fyzikální adsorpce, chemické kovalentní vazby a imobilizace pomocí nanočástic a nanotrubic 3 , 18 , 19 . Tyto metody pocházejí z biosenzorů, které se zaměřují na dosažení reprodukovatelných signálů imobilizací komerčně dostupných mezofilních enzymů, aby se zvýšila jejich stabilita bez obav z pomalé reakční rychlosti3 , 20. Enzymy imobilizované na povrchu pevných elektrod však obecně vykazují mnohem nižší aktivity (například 1 %) v důsledku deaktivace enzymu a špatného přenosu paliva ze zásobních roztoků do imobilizovaných enzymů 8 , 21 , 22 .
Abychom dosáhli konstantních vysoce výkonných EFC, zvažovali jsme alternativní strategii pro zprostředkování přenosu elektronů v EFC bez imobilizace enzymů. Naše strategie zachovává enzymatickou aktivitu a usnadňuje přenos hmoty imobilizací elektronového mediátoru (tj. vitaminu K3 (VK3 ) ) na povrchu elektrody ( obr. 1a(3) ) . Stabilitu enzymů lze řešit použitím termoenzymů. V této studii byly termoenzymy produkovány v E. coli a purifikovány třemi metodami: srážením teplem, pryskyřicí nabitou His-tag/niklem a adsorpcí proteinů označených modulem vázajícím celulózu na celulózovém adsorbentu ( doplňkový obr. S1 a doplňkový Tabulka S1). Jako kontroly byly použity dva typické přístupy enzymové imobilizace pro EFC: zachycení polymerní matrice v kvartérním tetrabutylamonium bromidu (TBAB) modifikovaném Nafion 11 ( obr. 1a(1) ) a kovalentní vazba na uhlíkové nanotrubice (CNT) 23 ( obr. 1a( 2) ). Pro srovnání EFC vybavených neimobilizovanými enzymy se dvěma EFC vybavenými imobilizovanými enzymy byla použita ekvivalentní množství glukózo-6-fosfát (g6p) dehydrogenázy (G6PDH) a diaforázy (DI) k testování polarizace a výkonových výstupů EFC pro palivo g6p ( obr. 1b,c ). Oblast transportu hmoty pro neimobilizované EFC se vyskytla při vyšších proudových hustotách ve srovnání s EFC na bázi kovalentní vazby ( obr. 1b), což naznačuje vliv zvýšeného transportu hmoty pro neimobilizované enzymy. EFC založený na neimobilizovaném G6PDH vykazoval nejvyšší hustotu výkonu 0,13 mW cm- 2 , třikrát vyšší než u metody kovalentní vazby. EFC založený na metodě zachycování polymeru Nafion modifikovanou TBAB měl nejnižší maximální hustotu výkonu 0,0013, mW cm- 2 , což byla pouze 4 % hustoty pro metodu kovalentní vazby. G6PDH imobilizovaný zachycením polymeru Nafion a kovalentní vazba si zachovaly 0,2 a 6 % své neimobilizované aktivity. DI imobilizovaný zachycením polymeru Nafion a kovalentní vazba si zachovaly 0,4 % a 7,5 % své neimobilizované aktivity ( doplňková tabulka S2). Tyto údaje o enzymové aktivitě jasně naznačují, že dochází k dramatické ztrátě aktivity v důsledku imobilizace enzymu21,22 . Údaje o hustotě výkonu ověřují proveditelnost použití neimobilizovaného enzymu (enzymů) k dosažení vysokého výkonu v EFC.
Obrázek 1: Porovnání elektrod na bázi imobilizovaných a neimobilizovaných enzymů.
Obrázek 1
( a ) Schéma (1) imobilizace zachycené polymerem Nafion modifikovaným TBAB, (2) imobilizace CNT s kovalentní vazbou a (3) neimobilizovaných enzymů. Profily hustoty napětí versus proudová hustota ( b ) a hustoty výkonu versus proudová hustota ( c ) s použitím (1) TBAB-modifikované imobilizace Nafion zachycené polymerem (vložený obrázek), (2) kovalentně vázané imobilizace a (3) ne - imobilizované enzymy. Experimentální podmínky byly 1 U G6PDH, 40 U DI, 10 mM g6p ve 100 mM HEPES (pH 7,5) pufru obsahujícím 2 mM NAD + , 10 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 při teplotě místnosti.
Obrázek v plné velikosti
Kompletní oxidace maltodextrinu
Pro uvolnění maximálního elektronového potenciálu z každé glukózové jednotky (tj. 24 na glukózu) jsme navrhli nepřirozenou enzymatickou dráhu obsahující 13 enzymů ( obr. 2a ). Tato syntetická cesta se skládá ze čtyř funkčních modulů: generace g6p z maltodextrinu zprostředkovaná α-glukan fosforylázou (α-GP) a fosfoglukomutázou (PGM) (rovnice 1); dvě redukované NADH generované z g6p zprostředkované dvěma NAD-dependentními G6PDH a 6-fosfoglukonátdehydrogenázou (6PGDH) (rovnice 2); Elektrooxidace NADH přes neimobilizovaný DI na imobilizovaný VK 3který generuje 2 elektrony na NADH (rovnice 3); a 5/6 molů regenerace g6p z 1 molu ribulóza-5-fosfátu prostřednictvím hybridní dráhy, která obsahuje enzymy v pentózofosfátové, glykolýzové a glukoneogenezní dráze (rovnice 4). Celková anodová reakce pro kombinaci rovnic 1, 2, 3, 4 přibližně vede k rovnici 5. Je zřejmé, že každá glukózová jednotka z maltodextrinu může generovat 24 elektronů na anodě prostřednictvím této cesty de novo (rovnice 5).
Obrázek 2: Kompletní oxidace maltodextrinu na základě syntetické enzymatické dráhy.
obrázek 2
( a ) Schéma úplné oxidace maltodextrinu prostřednictvím syntetické katabolické dráhy. Enzymy jsou následující — 1: αGP, α-glukan fosforyláza; 2: PGM, fosfoglukomutáza; 3: G6PDH, glukóza-6-fosfátdehydrogenáza; 4: 6PGDH, 6-fosfoglukonát dehydrogenáza; 5: RPI, ribosa-5-fosfát izomeráza; 6: Ru5PE, ribulóza-5-fosfát-3-epimeráza; 7: TK, transketoláza; 8: TAL, transaldoláza; 9: TIM, triosefosfát izomeráza; 10: ALD, aldoláza; 11: FBP, fruktóza-1,6-bisfosfatáza; 12: PGI, fosfoglukóza izomeráza; a 13: DI, diaforáza. Klíčovými metabolity jsou glukóza-1-fosfát (g1p), glukóza-6-fosfát (g6p), 6-fosfoglukonát (6 pg) a ribulóza-5-fosfát (ru5P). Pi , anorganický fosfát ; VK 3 , vitamín K 3 . ( b) Profily hustoty výkonu versus hustota proudu pro cukrovou biobaterii využívající pouze G6PDH, G6PDH a 6PGDH nebo celou cestu. Experimentální podmínky byly 100 mM HEPES, pH 7,5, pufr obsahující 0,1 mM maltodextrin, 4 mM NAD + , 100 mM HEPES, pH 7,5, 4 mM fosforečnan sodný, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM, DTT205 mM nCl thiaminpyrofosfát při pokojové teplotě. Podmínky plnění enzymu jsou uvedeny v doplňkové tabulce SI . ( c ) Profily pro současnou generaci a kumulativní Faradayovu účinnost. Experimentální podmínky byly 100 mM HEPES, pH 7,5, pufr obsahující 0,1 mM maltodextrinu, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD +, 4 mM fosforečnan sodný, 5 mM DTT, 0,5 mM thiaminpyrofosfát, 50 mg l −1 kanamycin, 40 mg l −1 tetracyklin, 40 mg l −1 cykloheximid, 0,5 g l −1 azid sodný, 1 g BSA −1 g % Triton X-100.
Obrázek v plné velikosti
Tato dráha využívá dva NAD-dependentní G6PDH a 6PGDH k vytvoření NADH odlišně od přirozených NADP-dependentních enzymů v pentózofosfátové dráze používané pro anabolismus. Výše uvedená cesta nevyžaduje ani ATP ani CoA, které jsou velmi nákladné a nestabilní v EFC 11 , 24 . Navíc lze fosfátové ionty recyklovat, aby se udrželo konstantní pH a koncentrace iontů. Tento návrh cyklické dráhy se liší od lineárních drah typicky používaných v EFC 9 , 12 , 13 .
Výkonové hustoty z maltodextrinového paliva (tj. 2 mM glukózových jednotek) byly porovnány pro tři EFC, které používaly jednu dehydrogenázu (tj. G6PDH), dvě dehydrogenázy (tj. G6PDH a 6PGDH) nebo celou dráhu ( obr. 2b ) . . Potenciály otevřeného obvodu byly pro tři EFC podobné (~0,7 V). Když byl použit pouze G6PDH, EFC vykazoval maximální hustotu výkonu 0,011 mW cm- 2 . Když byla přidána druhá dehydrogenáza (6PGDH), maximální hustota energie se zvýšila faktorem 2 na 0,024 mW cm- 2 . Když bylo přidáno osm dalších enzymů k rekonstituci celé dráhy ( obr. 2a ), maximální hustota energie se mírně zvýšila na 0,026 mW cm- 2. Odpovídající maximální proudová hustota byla o 35 % vyšší než proudová hustota systému založeného na dvou dehydrogenázách ( obr. 2b ).
Abychom kvantitativně potvrdili úplnou oxidaci glukózových jednotek maltodextrinu, měřili jsme Faradayovu účinnost z NADH na elektrony prostřednictvím DI a VK 3 v EFC dýchajícím vzduch ( doplňkový obr. S2 ). Za podmínek bez kyslíku pro anodový prostor byla Faradayova účinnost EFC 97,6 ± 3,0 % ( doplňkový obr. S3 ), což naznačuje, že elektroenzymatická oxidace NADH je vysoce účinná 9 . Kromě toho bylo odstranění kyslíku z anodového prostoru nezbytné pro dosažení vysoké Faradayovy účinnosti a zabránění neselektivní oxidaci NADH. V 15ml EFC obsahujícím 13 enzymů a nízkou koncentraci maltodextrinu při pokojové teplotě ( obr. 2c), proudová hustota vzrostla na maximální hodnotu 0,12 mA cm - 2 po 24 hodinách a poté pomalu klesala kvůli spotřebě substrátu. Po >150 h klesl proudový výstup téměř na nulu. Kumulativní generovaný elektrický náboj byl 48,9 C vzhledem k teoretickému elektrickému náboji generovanému na základě spotřeby glukózových jednotek (tj. 53,0 C, 1 mol glukózové jednotky může v principu generovat 24 × 96 485 C). Tento výsledek naznačuje kumulativní Faradayovu účinnost 92,3 % s 1 molem glukózy generujícím 22,2 molů elektronů. Bylo zaznamenáno, že negativní kontrola (to znamená stejný EFC bez substrátu) negenerovala významné proudové výstupy ( doplňkový obr. S4 ). Faradayova účinnost byla vyšší než u mikrobiálních palivových článků na bázi glukózy (83 %)14 , protože bezbuněčné biosystémy neplýtvají organickými palivy na růst buněk a tvorbu vedlejších produktů, jak bylo prokázáno dříve 25 , 26 . Náš systém poskytuje první kvantitativní důkaz pro téměř 24 elektronů produkovaných na jednotku glukózy v EFC. Naše data navíc naznačují, že můžeme přeměnit veškerou chemickou energii z cukru na elektrickou energii a zvýšit hustotu energie EFC o jeden řád.
EFC s vysokou energetickou hustotou a vysokým výkonem
Hustota výkonu je dalším důležitým faktorem v EFC. Abychom zvýšili hustotu výkonu, optimalizovali jsme řadu faktorů, včetně konfigurace EFC, zatížení enzymu a experimentálních podmínek, za kterých neimobilizovaný G6PDH působí na g6p. Optimální zatížení CNT bylo 3 mg cm −2 uhlíkového papíru ( doplňkový obr. S5a ). Šest elektrod naskládaných dohromady jako trojrozměrná anoda zvýšilo maximální hustotu výkonu o 50 % a maximální hustotu proudu čtyřnásobně ( doplňkový obr. S5a,b ). Zvýšení zatížení enzymu z 1 na 10 U na článek drasticky zvýšilo maximální hustotu výkonu a maximální hustotu proudu na 0,35 mW cm - 2 a 4,1 mA cm- 2při pokojové teplotě (23 °C; doplňkový obr. S5c ). Zvýšení teploty na 50 °C zdvojnásobilo maximální hustotu výkonu na 0,8 mW cm −2 ( doplňkový obr. S5d ).
EFC, který obsahuje 13 neimobilizovaných enzymů na bázi 15 % (hm./obj.) maltodextrinu, generoval maximální hustotu výkonu 0,4 mW cm- 2 při rychlosti skenování 1 mV s- 1 při pokojové teplotě. EFC generoval téměř konstantní výstupní výkon ~0,32 mW cm- 2 po dobu 60 hodin v uzavřeném systému ( obr. 3 ). Navíc sada dvou EFC na bázi kyvet může napájet digitální hodiny a světlo emitující diodu (LED) ( doplňkový obr. S6 ), což naznačuje, že tyto EFC by mohly být v blízké budoucnosti použity k napájení řady elektronických zařízení .
Obrázek 3: Trvalý výkon a proudové výstupy pro 13-enzymový palivový článek.
obrázek 3
EFC má externí zátěž 150 Ω a běží při pokojové teplotě. Experimentální podmínky jsou 100 mM HEPES, pH 7,5, pufr obsahující 15 % hm./obj. maltodextrin, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD + , 0,5 mM thiaminpyrofosfát, 40 mM fosfát sodný a 5 mM nefosfát sodný - podmínky zatížení imobilizovaným enzymem 30 jednotek 1–4 enzymů, 10 jednotek 5–12 enzymů, 80 jednotek DI, 50 mg l −1 kanamycin, 40 mg l −1 tetracyklin, 40 mg l −1 cykloheximid, 0,5 g l −1 azid sodný, 1 g l −1 BSA a 0,1% Triton X-100 v 15ml uzavřeném anodovém prostoru.
Obrázek v plné velikosti
Diskuse
Úplná oxidace glukózových jednotek 15% roztoku maltodextrinu znamená, že hustota ukládání energie tohoto cukrem poháněného EFC může být až 596 Ah kg −1 , což je o více než jeden řád vyšší než energetická- skladovací hustoty pro lithium-iontové baterie a primární baterie ( obr. 4 a doplňková tabulka S3 ). Přestože jsou napětí EFC (například 0,5 V) mnohem nižší než napětí lithium-iontových baterií (3,6 V), hustota energie 15% EFC napájeného cukrem může dosáhnout až 298 Wh kg −1 , několikanásobně vyšší než u běžných dobíjecích baterií (například Pd acid, NiMH a lithium-iontové baterie) a vyšší než u běžných primárních baterií (například zinko-uhlíkové, alkalické a Li-MnO2 baterie; Obr. 4 ). EFC na bázi kyvet ( doplňkový obr. S6 ) má hustotu akumulace energie ~238 Wh kg −1 pro celý systém, protože hmotnost kombinovaných materiálů elektrod, plastové kyvety a sestavy membránové elektrody představuje ~20 % z celkové hmotnosti zařízení. Takové biobaterie lze považovat za ekologické, jednorázové primární baterie, protože mají lepší hustotu energie a menší dopad na životní prostředí.
Obrázek 4: Porovnání hustoty energie mezi bateriemi a EFC.
obrázek 4
EFC jsou napájeny 500 mM metanolem, 7,2 % hmotn./obj. glukózy nebo 15 % hmotn./obj. maltodextrinu nebo dehydratovanými palivy při napětí 0,5 V. Další informace jsou k dispozici v doplňkové tabulce S3 .
Obrázek v plné velikosti
Kromě řádového zlepšení energetické hustoty cukrových biobaterií prostřednictvím této syntetické cesty, ve srovnání se systémem s jedním redoxním enzymem ( obr. 4 ), mohou být znovu naplněny biobaterie vybavené neimobilizovanými enzymovými kaskádami . přidáním cukerného roztoku, protože jediný plynný produkt (C02 ) může být snadno uvolněn z anodového prostoru a neimobilizované enzymy nejsou vymyty z EFC. Neimobilizovaný enzym EFC byl testován přidáním cukerného roztoku dvakrát ( doplňkový obrázek S7 ). Snížený výkon EFC však naznačoval další výzkum a vývoj potřebný k prodloužení životnosti EFC.
Tyto cukrové biobaterie představují nový typ dobíjecích baterií. Jednou z největších výhod palivových článků ve srovnání s uzavřenými primárními a sekundárními bateriemi je to, že se jedná o otevřené systémy, které využívají paliva s vysokou energetickou hustotou (například H 2 , metanol, glukózu a maltodextrin), která mohou být přiváděna do palivového článku. zařízení nepřetržitě (například palivové články s protonovou výměnnou membránou) nebo sporadicky (například přímé metanolové palivové články a cukrové baterie 4 , 27). Když je hmotnostní poměr paliva k systému palivových článků dostatečně velký (tj. 5–10) nebo pokud je palivový článek několikrát doplňován, hustota energie celého systému, včetně paliva, palivové nádrže a systém palivových článků se může blížit teoretické hustotě energie použitého paliva. Je zřejmé, že použití bezvodých chemikálií jako paliv je atraktivnější z hlediska hustoty akumulace energie ( obr. 4 ). V takovém systému je však vyžadována samostatná palivová nádrž a komplikovaný systém podávání paliva.
Maltodextrin je lepší palivo EFC než alkoholy (například methanol) nebo glukóza. Maltodextrin se pomalu využívá syntetickou cestou ke generování téměř konstantního výkonu ( obr. 3 ) spíše než špičkového výkonu během krátké doby10 . Navíc většina enzymů nemůže dobře fungovat ve vysokých koncentracích alkoholu nebo glukózy kvůli inhibici nebo nízké aktivitě vody. Například nejvyšší koncentrace metanolu, kterou lze použít v EFC, je ~0,5 M, což má za následek nižší hustotu akumulace energie 40,2 Wh kg- 1 ( obr. 4 ) 28 . Podobně vysoké koncentrace glukózy (například 0,4 M) 7 vedou k vysokým osmotickým tlakům (~9,85 atm), které mohou narušit aktivitu enzymu 29. Ve srovnání s šestienzymovým EFC, který oxiduje glukózu na CO2 (odkaz 13 ), inherentně nízké, ale promiskuitní aktivity jednoho enzymu, který katalyzuje několik substrátů, mají za následek velmi nízké hustoty energie . Zdá se, že použití více než deseti enzymů pro realizaci složitých reakcí pro výrobu biokomodit, čistých chemikálií a léčiv není ekonomicky příliš vysoké 25 , 26 , 30 , 31 , 32 , 33 .
Jednou z nejdůležitějších otázek pro cukrové biobaterie je prodloužení jejich životnosti. To zahrnuje zlepšení stability enzymů, kofaktorů a mediátorů 3 . Byl proveden předběžný diagnostický experiment pro studium sníženého výkonu neimobilizovaných EFC ( doplňkový obr. S8a ). Přidání nového substrátu a směsi enzymů do EFC vedlo ke čtvrtině maximálního výkonu, což naznačuje, že deaktivace enzymu je jednou z příčin sníženého výkonu po více než 1 týdnu provozu při pokojové teplotě. Místo použití imobilizovaných enzymů podobných těm ve většině EFC jsme prodloužili životnost enzymů pomocí neimobilizovaných termoenzymů izolovaných z (hyper)termofilních mikroorganismů 34. Je zřejmé, že relativně nestabilní termoenzymy, jako je fosfoglukózaizomeráza, α-GP a PGM, izolované z termofilů, mohou být nahrazeny enzymy z hypertermofilů nebo uměle vytvořenými mutantními enzymy generovanými proteinovým inženýrstvím (tj. racionálním návrhem, řízenou evolucí nebo kombinací metody). Kromě toho se poločas neimobilizovaných enzymů zvýšil z 5,0 dne na 7,7 dne přidáním 1 g l -1 BSA a 0,1 % Triton X-100 ( doplňkový obr. S8b ), což naznačuje, že formulace enzymu Směs může být také upravena tak, aby se prodloužila životnost neimobilizovaných směsí enzymů. Kromě toho výměna starých anod za nové zdvojnásobuje výstupní výkon na téměř polovinu maximálního výstupního výkonu ( doplňkový obr. S8a), což naznačuje, že vyluhování adsorbovaného VK 3 z anody má za následek nižší výstupní výkon. Proto bude důležité přijmout lepší způsob imobilizace mediátorů podobných VK 3 na povrchu anod 35 .
Kromě zvýšené stability enzymů a mediátorů by se budoucí výzkum a vývoj vysoce výkonných EFC poháněných cukrem měl zaměřit na zvýšení hustoty výkonu, prodloužení životnosti EFC a nahrazení platiny v katodách lakázou 8 resp . bilirubin oxidáza 7 . S ohledem na první cíl by mohla být hustota výkonu EFC zvýšena na 10 mW cm - 2 nebo vyšší pomocí kombinace nově vyvinutých nanomateriálů s vysokou elektrickou vodivostí a nanomateriálů s velkou povrchovou plochou jako elektrod, jako jsou grafenové pěny 36 nebo karbonizované aerogely 37 , 38 z nanovláken . Výkon lze také zlepšit pomocí lepších mediátorů 5aktivnější enzymy nebo enzymatické komplexy 39 a optimalizované poměry enzymů předpovězené v křemíkových modelech 40 . S ohledem na druhý cíl, použití stabilnějších termoenzymů, lepších mediátorů a kofaktorů a lepší formulace enzymů může prodloužit životnost EFC na měsíce nebo déle při pokojové teplotě, podobně jako proteázy používané v tekutých detergentech. Navíc nákladné a labilní NAD lze nahradit levnými a stabilními biomimikry41,42 .
Abychom to shrnuli, cukrové biobaterie s vysokou energetickou hustotou, které využívají tuto syntetickou katabolickou dráhu, by mohly představovat další generaci ekologických zdrojů energie, protože mají mnoho atraktivních vlastností, jako je vysoká hustota energie, bezpečnost, biologická odbouratelnost a nízké náklady na katalyzátor bez potřeby. pro drahé kovy a prvky vzácných zemin. Degradace EFC v důsledku relativně krátké životnosti enzymů, kofaktorů a mediátorů však musí být vyřešena, než bude možné EFC použít ve velkém měřítku.
Metody
Chemikálie
Všechny chemikálie, včetně maltodextrinu (ekvivalent dextrózy 4,0–7,0, tj. naměřený stupeň polymerace 19), VK 3 , nikotinamid adenindinukleotid (NAD, včetně oxidované formy (NAD + ) i redukované formy (NADH) ), poly- L-lysin (PLL, molekulová hmotnost, ~70–150 kDa), dithiothreitol (DTT), 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylkarbodiimid hydrochlorid (EDC) a N-hydroxysukcinimid byly jako reagencie nebo vyšší a byly zakoupeny od Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) nebo Fisher Scientific (Pittsburgh, PA, USA), pokud není uvedeno jinak. Restrikční enzymy, T4 ligáza a Phusion DNA polymeráza byly zakoupeny od New England Biolabs (Ipswich, MA, USA). Oligonukleotidy byly syntetizovány buď Integrated DNA Technologies (Coraville, IA, USA) nebo Fisher Scientific. Uhlový papír (AvCarb MGL200) použitý v anodách byl zakoupen od Fuel Cell Earth (Stoneham, MA, USA). Sestavy membránových elektrod sestávající z membrán Nafion 212 a katody z uhlíkové tkaniny modifikované 0,5 mg cm- 2Pt byly zakoupeny od Fuel Cell Store (San Diego, CA, USA). Vícestěnné CNT funkcionalizované COOH s vnějším průměrem <8 nm a délkou 10–30 μm byly zakoupeny od CheapTubes.com (Brattleboro, VA, USA). Regenerovaná amorfní celulóza použitá při čištění enzymů byla připravena z Avicelu PH105 (FMC, Philadelphia, PA, USA) jejím rozpuštěním a regenerací, jak je popsáno jinde43 . Escherichia coli Top10 byla použita jako hostitelská buňka pro manipulaci s DNA a E. coli BL21 Star (DE3) (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) byla použita jako hostitelská buňka pro expresi rekombinantního proteinu. Pro E. coli bylo použito médium Luria–Bertani obsahující buď 100 mg l −1 ampicilinu nebo 50 mg l −1 kanamycinubuněčný růst a exprese rekombinantního proteinu25 .
Produkce a purifikace rekombinantních enzymů
Kmen E. coli BL21 Star (DE3) nesoucí proteinový expresní plazmid byl inkubován v 1litrové Erlenmeyerově baňce s 250 ml Luria–Bertaniho média obsahujícího buď 100 mg l −1 ampicilinu nebo 50 mg l −1 kanamycinu. Buňky byly pěstovány při 37 °C s rotačním třepáním při 250 rpm, dokud absorbance buněčné kultury při 600 nm nedosáhla 0,6–0,8. Exprese proteinu byla indukována přidáním 100 uM isopropyl-p- D-thiogalaktopyranosid během inkubace přes noc při 18 °C. Buňky byly sklizeny centrifugací při 4 °C a jednou promyty 20 mM HEPES (pH 7,5) obsahujícím 0,3 M NaCl. Buněčné pelety byly resuspendovány ve stejném pufru a lyžovány ultrazvukem (Fisher Scientific Sonic Dismembrator Model 500; 5-sekundový puls zapnutý a vypnutý, celkem 300 s při 50% amplitudě). Po centrifugaci byly cílové proteiny v supernatantech purifikovány. K čištění různých rekombinantních proteinů byly použity tři přístupy ( doplňková tabulka SI ). His-značené proteiny byly purifikovány pomocí Profinity IMAC Ni-Charged Resin (Bio-Rad, Hercules, CA, USA). Fúzní proteiny obsahující modul vázající celulózu a samoštěpící intein byly purifikovány pomocí vysokoafinitní adsorpce na velkoplošné regenerované amorfní celulóze44 , 45 . Srážení teplem při 80 °C po dobu 20 minut bylo použito k čištění ribosa-5-fosfát izomerázy, ribulóza-5-fosfát epimerázy , triosefosfát izomerázy (TIM)a aldolázy46,47 . Čistota rekombinantních proteinů byla zkoumána pomocí SDS-PAGE ( doplňkový obrázek S1 ).
Testy enzymové aktivity
Aktivita aGP Clostridium thermocellum byla testována ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 1 mM MgCl2 , 5 mM DTT, 30 mM maltodextrin a 10 mM fosforečnan sodný při 23 °C po dobu 5 minut. Reakce byla zastavena přidáním HC104 a neutralizována KOH. Glukóza-1-fosfát byl měřen pomocí testovací soupravy glukóza hexokináza/G6PDH (Pointe Scientific, Canton, MI, USA) doplněné PGM6 .
C. thermocellum PGM aktivita byla měřena ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 5 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 a 5 mM glukóza-1-fosfát při 23 °C po dobu 5 minut. Produkt g6p byl stanoven pomocí testovací soupravy hexokináza/ G6PDH48 .
Aktivita Geobacillus stearothermophilus G6PDH byla testována ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 100 mM NaCl, 2 mM g6p, 2 mM NAD + , 5 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 při 23 °C. Zvýšení absorbance v důsledku tvorby NADH bylo měřeno při 340 nm23 .
Aktivita 6PGDH Morella thermoacetica byla měřena ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 2 mM 6-fosfoglukonát, 2 mM NAD + , 5 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 při 23 °C po dobu 5 minut23 .
Aktivita ribosa-5-fosfát izomerázy Thermotoga maritima byla testována pomocí modifikované Discheovy cystein-karbazolové metody 46 .
Aktivita ribulóza-5-fosfát epimerázy T. maritima byla stanovena na substrátu D -ribulóza-5-fosfátu, jak bylo popsáno dříve31 .
Aktivita transketolázy Thermus thermophilus byla měřena v 50 mM Tris/HCl (pH 7,5) pufru obsahujícím 0,8 mM D -xylulóza 5-fosfát, 0,8 mM D -ribóza-5-fosfát, 5 mM MgCl2 , 0,5 mM thiaminpyrofosfát, NADH, 60 U ml −1 TIM a 20 U ml −1 glycerol-3-fosfátdehydrogenázy. Reakce byla zahájena přidáním transketolázy při 23 °C. Produkt D -glyceraldehyd-3-fosfát byl kvantifikován prostřednictvím spotřeby NADH měřené při 340 nm po dobu 5 minut.
Aktivita transaldolázy T. maritima byla testována, jak bylo uvedeno dříve49 .
Aktivita TIM T. thermophilus byla stanovena v 50 mM Tris/HCl (pH 7,5) obsahujícím 5 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 0,5 mg ml -1 BSA , 20 U ml -1 glycerol-3-fosfátdehydrogenázy a 0,25 mM NADH 31 .
Fruktóza-1,6-bisfosfátaldoláza T. thermophilus byla testována v 50 mM Tris/HCl pufru (pH 7,5) při 23 °C s 1,9 mM fruktóza-1,6-bisfosfátu jako substrátu. Glyceraldehyd-3-fosfátový produkt byl kvantifikován pomocí 0,15 mM NADH, 60 U ml - 1 TIM a 20 U ml - 1 glycerol-3-fosfátdehydrogenázy při 340 nm39 .
Aktivita fruktóza-1,6-bisfosfatázy T. maritima byla stanovena na základě uvolňování fosfátu45 .
Aktivita fosfoglukóza izomerázy C. thermocellum byla testována při 23 °C ve 100 mM HEPES (pH 7,5) obsahujícím 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 a 5 mM fruktóza-6- fosfát50 . Po 3 minutách byla reakce zastavena přidáním HC104 a neutralizována KOH. Produkt g6p byl analyzován při 37 °C pomocí testovací soupravy hexokináza/G6PDH.
Aktivita G. stearothermophilus DI byla testována v 10 mM roztoku PBS obsahujícím 0,16 mM NADH a 0,1 mM dichlorfenolindofenol při 23 °C. Snížení absorbance při 600 nm v důsledku spotřeby dichlorfenolindofenolu bylo měřeno pomocí spektrometru 23,51 .
Aktivity G6PDH a DI imobilizovaných na elektrodách z uhlíkového papíru byly testovány za stejných podmínek jako pro volné enzymy. Reakce byly zahájeny ponořením elektrod do roztoku substrátu při 23 °C. Po odstranění elektrod z reakcí byly měřeny změny absorbance v reakčních roztocích, jak je popsáno pro testy G6PDH a DI.
Příprava enzymové anody
Přístroj EFC dýchající vzduch je znázorněn na doplňkovém obrázku S2. Reakční objem anodové komory byl 15 ml. Elektrolyt byl deoxygenován proplachováním ultračistým dusíkem po dobu 30 minut. Elektrolyt byl míchán pomocí magnetické míchací tyčinky při 600 ot./min. K oddělení anody a katody, jejíž povrch byl potažen 0,5 mg cm- 2 Pt, byla použita membrána Nafion 212. Anodovým prostorem byla skleněná nádoba na elektrolyt opatřená pryžovou zátkou pro utěsnění anodového prostoru.
K přípravě anod vybavených imobilizovanými enzymy byly použity dvě metody imobilizace enzymů. Metoda 1 byla založena na zachycení enzymů do kvartérního amonium-bromidu-soli modifikovaného Nafion. Směs licího roztoku byla připravena přidáním 39 mg TBAB k 1 ml 5% suspenze Nafion 1100 EW (Ion Power, Inc., New Castle, DE, USA). Po sušení přes noc byla směs promyta 3,5 ml 18 MQ deionizované vody a resuspendována v 1 ml isopropanolu. Směs enzymového roztoku sestávala z 1 jednotky G6PDH, 40 jednotek DI, 1 mM NAD + a 0,29 M VK3. Anoda z uhlíkového papíru byla pokryta směsí 100 μl licího roztoku a 100 μl roztoku enzymu a sušena při pokojové teplotě. Metoda 2 byla založena na kovalentní vazbě mezi enzymy a CNT. Objem 10 ul 2% hmotn./obj. roztoku PLL byl použit k potažení uhlíkového papíru, poté bylo přidáno 20 ul 25 mM EDC. Mezitím 2,5% hm./obj. COOH-funkcionalizované CNT byly suspendovány v 50% ethanolovém roztoku a sonikovány po dobu 30 minut. Uhlový papír byl poté ošetřen 40 μl roztoku obsahujícího CNT a vysušen při teplotě místnosti. Poté bylo přidáno dalších 10 ul 400 mM EDC a 10 ul 100 mM N - hydroxysukcinimidu, následovalo přidání 1 jednotky G6PDH, 40 jednotek DI, 1 mM NAD + a 10 ul 0,29 M VK 3acetonový roztok. Oba typy anod s imobilizovanými enzymy byly před použitím skladovány ve 100 mM HEPES pufru obsahujícím 2 mM NAD + a 100 mM NaN03 při 4 °C.
Pro přípravu neimobilizovaných enzymových anod bylo 1 nebo 3 mg CNT přidáno na povrch 1 cm 2 uhlíkového papíru (AvCarb MGL200) od Fuel Cell Earth pomocí PLL (molekulová hmotnost, ~70–150 kDa), jak je popsáno dříve 23 . Na suchou anodu obsahující CNT byl pod digestoří nanesen 10- nebo 30-μl roztok 0,29 M VK 3 rozpuštěný v acetonu. Po 2 hodinách odpařování acetonu se ve vodě nerozpustný VK3 uložil na anodu fyzikální adsorpcí.
Elektrochemická charakterizace EFC
Všechny elektrochemické testy byly provedeny pomocí 1000B Multi-Potentiostatu (CH Instruments Inc., Austin, TX, USA) propojeného s osobním počítačem (PC). Experimentální data týkající se proudových a výkonových výstupů byla normalizována na 1 cm 2 plochy anody, protože reakce probíhající na anodě byla krokem omezujícím rychlost a oxidace protonů zprostředkovaná Pt v sestavách membránových elektrod nebyla rychlost omezující. Měření potenciálu otevřeného obvodu a lineární rozmítací voltametrie byla prováděna při rychlosti skenování 1 mV s −1 .
Pro srovnání výroby energie z imobilizovaného a neimobilizovaného enzymu EFC ( obr. 1 ), elektrolyty obsahovaly 10 mM g6p, 100 mM HEPES pufr (pH 7,5), 2 mM NAD + , 10 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 . _ Jedna jednotka G6PDH a 40 jednotek DI bylo buď imobilizováno na elektrodách nebo rozpuštěno v elektrolytu.
Když byl jako substrát použit maltodextrin ( obr. 2 ), elektrolyty obsahovaly 100 mM HEPES pufr (pH 7,5), neimobilizované enzymy, 0,1 mM maltodextrin, 4 mM NAD + , 4 mM fosforečnan sodný, 10 mM MgCl2 , 0,0. mM MnCl2 , 5 mM DTT a 0,5 mM thiaminpyrofosfát. Jedna-dehydrogenáza EFC obsahovala první tři enzymy plus DI. Dvoudehydrogenáza EFC obsahovala první čtyři enzymy plus DI. EFC použitý pro kompletní oxidaci maltodextrinu obsahoval všech 13 enzymů. Podmínky plnění enzymu jsou uvedeny v doplňkové tabulce SI .
Úplná oxidace maltodextrinu byla měřena ( obr. 2c a doplňkový obr. S4 ) ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD + , 4 mM 5 mM fosforečnan sodný, DTT a 0,5 mM thiaminpyrofosfát. K prevenci mikrobiální kontaminace bylo přidáno 50 mg l −1 kanamycinu, 40 mg l −1 tetracyklinu, 40 mg l −1 cykloheximidu a 0,5 g l −1 azidu sodného. Pro zlepšení stability enzymové směsi bylo přidáno 1 g l - 1 BSA a 0,1 % Triton X- 10048 . Podmínky plnění enzymu jsou uvedeny v doplňkové tabulce SI. Amperometrie byla provedena při 0 V pro dosažení maximální proudové hustoty. EFC s 0,2 mM g6p probíhalo 2 dny, dokud nebylo dosaženo téměř nulového proudu, než byl přidán roztok 0,1 mM maltodextrinu (tj. -1,9 mM glukózy). Úplná oxidace maltodextrinu trvala ~1 týden při teplotě místnosti a zbývající maltodextrin byl kvantifikován pomocí SA-20 škrobové testovací soupravy (Sigma-Aldrich). Faradayova účinnost byla vypočtena podle
kde F MD−proud je Faradayova účinnost, C total je celkový generovaný náboj ( C ), Δc glukózová jednotka = c počáteční −c zůstává (M), V je reakční objem (l), 24 představuje 24 elektronů generovaných na glukózu spotřebovaná jednotka a F je Faradayova konstanta. Byl také proveden kontrolní experiment bez maltodextrinu ( doplňkový obr. S4 ).
Abychom dále zvýšili hustotu výkonu EFC, optimalizovali jsme několik faktorů ( doplňkový obr. S5 ). Elektrolytem byl 100 mM HEPES (pH 7,5) pufr obsahující 20 mM g6p, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 8 mM NAD + , 4 mM fosforečnan sodný, 0,5 mM thiaminpyrofosfát a G6 Všechny experimenty byly provedeny v následujícím pořadí: zatížení CNT (1, 3 nebo 5 mg na elektrodu), počet elektrodových listů nahromaděných dohromady (1, 3 nebo 6), zatížení enzymu (1, 5, 10 nebo 30 jednotek) a reakční teplota (23, 50, 65 a 80 °C).
Nejlepší podmínky EFC byly 100 mM HEPES pufr (pH 7,5), 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD + , 0,5 mM thiamin pyrofosfát, 5 mM DTT, 15 % (hmotn./obj., 40d sodný) maltod fosfát jako substráty a podmínky enzymové zátěže 30 jednotek 1–4 enzymů, 10 jednotek 5–12 enzymů, 80 jednotek DI, 50 mg l −1 kanamycin, 40 mg l −1 tetracyklin, 40 mg l −1 cykloheximid a 0,5 g l -1 azidu sodného. Pro dlouhodobý nerušivý provoz byl aplikován vnější odpor 150 Ω. Hustota výkonu byla měřena po dobu 60 h při 23 °C ( obr. 3 ).
Dodatečné informace
Jak citovat tento článek: Zhu, Z. Cukrová biobaterie s vysokou energetickou hustotou založená na syntetické enzymatické dráze. Nat. Commun. 5:3026 doi: 10.1038/ncomms4026 (2014).
Historie změn
22. ledna 2016
Dříve publikovaná HTML verze tohoto článku obsahovala prohlášení o konkurenčních finančních zájmech, které nesprávně uvádělo, že neexistují žádné konkurenční finanční zájmy. Toto bylo nyní opraveno v HTML; verze článku ve formátu PDF byla v době zveřejnění správná.
Reference
Armand, M. & Tarascon, JM Staví lepší baterie. Nature 451 , 652-657 (2008).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Chen, Z. a kol. Nová třída nevodných elektrolytů pro bezpečné lithium-iontové baterie s dlouhou životností. Nat. Commun. 4 , 1513 (2013).
Článek
Google Scholar
Moehlenbrock, M. & Minteer, S. Biopalivové články s prodlouženou životností. Chem. Soc. Rev. 37 , 1188-1196 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Calabrese Barton, S., Gallaway, J. & Atanassov, P. Enzymatické biopalivové zvony pro implantabilní a mikroměřítko. Chem. Rev. 104 , 4867-4886 (2004).
Článek
Google Scholar
Cooney, MJ, Svoboda, V., Lau, C., Martin, G. & Minteer, SD Enzyme katalyzované biopalivové články. Energetické prostředí. Sci. 1 , 320-337 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhu, ZG, Wang, YR, Minteer, S. & Zhang, Y.-HP Enzymatický palivový článek napájený maltodextrinem prostřednictvím nepřirozené enzymatické dráhy. J. Power Sources 196 , 7505–7509 (2011).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Sakai, H. a kol. Vysoce výkonný glukózo-kyslíkový biopalivový článek pracující v klidových podmínkách. Energetické prostředí. Sci. 2 , 133-138 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Zebda, A. a kol. Bezmediátorové vysoce výkonné glukózové biopalivové články na bázi komprimovaných uhlíkových nanotrubicových enzymových elektrod. Nat. Commun. 2 , 370 (2011).
Článek
Google Scholar
Palmore, GTR, Bertschy, H., Bergens, SH & Whitesides, GM Metanol/dikyslíkový biopalivový článek, který jako katalyzátory využívá NAD + -dependentní dehydrogenázy: aplikace elektroenzymatické metody k regeneraci nikotinamidadenindinukleotidu při nízkých překročení potenciálu. J. Electroanal. Chem. 443 , 155-161 (1998).
Článek
CAS
Google Scholar
Kim, YH, Campbell, E., Yu, J., Minteer, SD & Banta, S. Kompletní oxidace metanolu v biobateriových zařízeních pomocí hydrogelu vytvořeného ze tří modifikovaných dehydrogenáz. Angew. Chem. Int. Ed. 52 , 1437–1440 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Sokic-Lazic, D. & Minteer, SD Biomimika cyklu kyseliny citronové na uhlíkové elektrodě. Biosens. Bioelektron. 24 , 939-944 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Arechederra, RL & Minteer, SD Kompletní oxidace glycerolu v enzymatickém biopalivovém článku. Fuel Cells 9 , 63–69 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Xu, S. & Minteer, SD Enzymatický biopalivový článek pro oxidaci glukózy na CO2. ACS Catal. 1 , 91-94 (2011).
Google Scholar
Chaudhuri, SK & Lovley, DR Výroba elektřiny přímou oxidací glukózy v mikrobiálních palivových článcích bez mediátoru. Nat. Biotechnol. 21 , 1229-1232 (2003).
Článek
CAS
Google Scholar
Bond, DR & Lovley, DR Výroba elektřiny společností Geobacter sulfurreducens připojených k elektrodám. Appl. Environ. Microbiol. 69 , 1548-1555 (2003).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhang, Y. -HP Sladké řešení pro vodíkovou ekonomiku připravené z krabice: je auto poháněné cukrem sci-fi? Energetické prostředí. Sci. 2 , 272-282 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Vy, C. a kol. Enzymatická transformace nepotravinářské biomasy na škrob. Proč. Natl Acad. Sci. USA 110 , 7182–7187 (2013).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Kim, J., Jia, H. & Wang, P. Výzvy v biokatalýze pro enzymatické biopalivové články. Biotechnol. Adv. 24 , 296-308 (2006).
Článek
CAS
Google Scholar
Walcarius, A., Minteer, S., Wang, J., Lin, Y. & Merkoci, A. Nanomateriály pro biofunkcionalizované elektrody: nedávné trendy. J. Mater. Chem. B 1 , 4878-4908 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Willner, B., Katz, E. & Willner, I. Elektrické kontaktování redoxních proteinů nanotechnologickými prostředky. Curr. Opin. Biotechnol. 17 , 589-596 (2006).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhao, X., Jia, H., Kim, J. & Wang, P. Kinetická omezení bioelektrochemické elektrody využívající glukózooxidázu připojenou k uhlíkovým nanotrubičkám pro biopalivové články. Biotechnol. Bioeng. 104 , 1068-1074 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Johnston, W., Cooney, MJ, Liaw, BY, Sapra, R. & Adams, MWW Návrh a charakterizace elektrod redoxních enzymů: nové pohledy na zavedené techniky s aplikací na extrémofilní hydrogenázu. Enzym Microb. Technol. 36 , 540-549 (2005).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhu, ZG, Sun, F., Zhang, X. & Zhang, Y.-HP Hluboká oxidace glukózy v enzymatických palivových článcích prostřednictvím syntetické enzymatické dráhy obsahující kaskádu dvou termostabilních dehydrogenáz. Biosens. Bioelektron. 36 , 110-115 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Minteer, SD, Liaw, BY & Cooney, MJ Biopalivové články na bázi enzymu. Curr. Opin. Biotechnol. 18 , 228-234 (2007).
Článek
CAS
Google Scholar
Martín del Campo, JS a kol. Výroba dihydrogenu z xylózy s vysokým výtěžkem pomocí kaskády syntetických enzymů v bezbuněčném systému. Angew. Chem. Int. Ed 52 , 4587-4590 (2013).
Článek
Google Scholar
Bujara, M., Schümperli, M., Pellaux, R., Heinemann, M. & Panke, S. Optimalizace plánu pro in vitro glykolýzu metabolickou analýzou v reálném čase. Nat. Chem. Biol. 7 , 271-277 (2011).
Článek
CAS
Google Scholar
Barbir, F. PEM Fuel Cells: Theory and Practice Academic Press (2005).
Addo, PK, Arechederra, RL & Minteer, SD Hodnocení enzymových kaskád pro biopalivové články metanol/vzduch na bázi NAD + -dependentních enzymů. Elektroanalýza 22 , 807-812 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Zaks, A. & Klibanov, AM Vliv vody na působení enzymů v organických médiích. J. Biol. Chem. 263 , 8017-8021 (1988).
CAS
PubMed
Google Scholar
Shimizu, Y. a kol. Bezbuněčná translace rekonstituovaná purifikovanými složkami. Nat. Biotechnol. 19 , 751-755 (2001).
Článek
CAS
Google Scholar
Wang, Y., Huang, W., Sathitsuksanoh, N., Zhu, Z. & Zhang, Y.-HP Biohydrogenace z cukru biomasy zprostředkovaná in vitro syntetickými enzymatickými cestami. Chem. Biol. 18 , 372-380 (2011).
Článek
Google Scholar
Ye, X. a kol. Syntetické metabolické inženýrství – nová, jednoduchá technologie pro navrhování chimérické metabolické dráhy. Microb. Cell Fact 11 , 120 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Krutsakorn, B. a kol. In vitro produkce n-butanolu z glukózy. Metab. Ing. 20 , 84-91 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Caruana, DJ & Howorka, S. Biosenzory a biopalivové články s umělými proteiny. Mol. BioSyst. 6 , 1548-1556 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Togo, M., Takamura, A., Asai, T., Kaji, H. & Nishizawa, M. Enzymový mikrofluidní biopalivový článek využívající oxidaci glukózy zprostředkovanou vitamínem K3. Electrochim. Acta 52 , 4669-4674 (2007).
Článek
CAS
Google Scholar
Chen, Z. a kol. Trojrozměrné flexibilní a vodivé propojené grafenové sítě pěstované chemickou depozicí par. Nat. Mater. 10 , 424-428 (2011).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Wu, Z.-Y., Li, C., Liang, H.-W., Chen, J.-F. & Yu, S.-H. Ultralehké, flexibilní a ohnivzdorné uhlíkové nanovlákenné aerogely z bakteriální celulózy. Angew. Chem. Int. Ed. 52 , 2925–2929 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Chen, S. a kol. Makrostruktury vrstvené vlnité elektrody podporují mikrobiální bioelektrokatalýzu. Energetické prostředí. Sci. 5 , 9769-9772 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
You, C., Myung, S. & Zhang, Y.-HP Usnadnil kanálování substrátu v samostatně sestaveném trifunkčním enzymovém komplexu. Angew. Chem. Int. Ed. 51 , 8787-8790 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Ardao, I. & Zeng, A.-P. In silico hodnocení komplexního multienzymatického systému s využitím one-pot a modulárních přístupů: aplikace na vysokovýtěžnou produkci vodíku ze syntetické metabolické dráhy. Chem. Ing. Sci. 87 , 183-193 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Campbell, E., Meredith, M., Minteer, SD & Banta, S. Enzymatické biopalivové buňky využívající biomimetický kofaktor. Chem. Commun. 48 , 1898–1900 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Rollin, JA, Tam, W. & Zhang, Y. -HP Nové biotechnologické paradigma: bezbuněčné biosystémy pro biomanufacturing. Green Chem. 15 , 1708–1719 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhang, Y. -HP, Cui, J., Lynd, LR & Kuang, LR Přechod od bobtnání celulózy k rozpouštění celulózy kyselinou o-fosforečnou: důkaz z enzymatické hydrolýzy a supramolekulární struktury. Biomacromolecules 7 , 644-648 (2006).
Článek
CAS
Google Scholar
Hong, J., Wang, Y., Ye, X. & Zhang, Y.-HP Jednoduchá proteinová purifikace prostřednictvím afinitní adsorpce na regenerované amorfní celulóze s následným samoštěpením inteinu. J. Chromatogr. A 1194 , 150-154 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Myung, S., Wang, YR & Zhang, Y.-HP Fruktóza-1,6-bisfosfatáza z hypertermofilní bakterie Thermotoga maritima : charakterizace, stabilita metabolitů a její důsledky. Proč. Biochem. 45 , 1882–1887 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Sun, FF, Zhang, XZ, Myung, S. & Zhang, Y.-HP Thermophilic Thermotoga maritima ribóza-5-fosfát izomeráza RpiB: optimalizované čištění tepelným zpracováním a základní charakterizace. Protein Expr. Purif. 82 , 302-307 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Myung, S. & Zhang, Y.-HP Nekomplexní směs čtyř kaskád enzymů: jednoduchá purifikace a synergická kostabilizace. PLoS One 8 , e61500 (2013).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Wang, Y. & Zhang, Y.-HP Vysoce aktivní fosfoglukomutáza z Clostridium thermocellum : klonování, purifikace, charakterizace a zvýšená termostabilita. J. Appl. Microbiol. 108 , 39-46 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Huang, SY, Zhang, Y.-HP & Zhong, JJ Termostabilní rekombinantní transaldoláza s vysokou aktivitou v širokém rozmezí pH. Appl. Microbiol. Biotechnol. 93 , 2403-2410 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Myung, S., Zhang, X.-Z. & Zhang, Y.-HP Ultrastabilní fosfoglukóza izomeráza díky imobilizaci termofilního enzymu značeného modulem vázajícím celulózu na levném vysokokapacitním celulózovém adsorbentu. Biotechnol. Prog. 27 , 969-975 (2011).
Článek
CAS
Google Scholar
Chakraborty, S., Sakka, M., Kimura, T. & Sakka, K. Dva proteiny s diaforázovou aktivitou z Clostridium thermocellum a Moorella thermoacetica . Biosci. Biotechnol. Biochem. 72 , 877-879 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Stáhněte si reference
Poděkování
Děkujeme za podporu od oddělení biologického inženýrství systémů Virginia Tech. Tento materiál je založen především na práci podporované National Science Foundation pod číslem grantu (IIP-1214895) PZ
Informace o autorovi
Autoři a přidružení
Oddělení inženýrství biologických systémů, Virginia Tech, 304 Seitz Hall, Blacksburg, Virginia 24061, USA,
Zhiguang Zhu, Chun You & Y.-H. Percival Zhang
Cell Free Bioinnovations Inc., 2200 Kraft Drive, Suite 1200B, Blacksburg, Virginia 24060, USA,
Zhiguang Zhu, Tsz Kin Tam, Fangfang Sun & Y.-H. Percival Zhang
Institute for Critical Technology and Applied Science (ICTAS), Virginia Tech, Blacksburg, 24061, Virginia, USA
Y. -H. Percival Zhang
Příspěvky
ZZ a TKT navrhovaly experimenty, prováděly experimenty a analyzovaly data; FS a CY poskytly klíčové enzymy; a PZ a ZZ napsali rukopis. PZ navrhl experimenty a koncipoval koncept syntetické cesty pro EFC.
Odpovídající autor
Korespondence Y. -H. Percival Zhang .
Etická prohlášení
Konkurenční zájmy
PZ a ZZ jsou vynálezci enzymatických drah přeměňujících cukry na elektřinu, na kterou se vztahuje prozatímní patentová přihláška (US 61/831,346).
Doplňující informace
Doplňkové informace
Doplňkové obrázky 1-8, Doplňkové tabulky 1-3 a Doplňkové metody (PDF 821 kb)
Práva a oprávnění
Dotisky a oprávnění
O tomto článku
Citujte tento článek
Zhu, Z., Kin Tam, T., Sun, F. a kol. Cukrová biobaterie s vysokou energetickou hustotou založená na syntetické enzymatické dráze. Nat Commun 5 , 3026 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms4026
Stáhnout citaci
Přijato9. července 2013
Přijato26. listopadu 2013
Publikováno21. ledna 2014
DOIhttps://doi.org/10.1038/ncomms4026
Sdílejte tento článek
Každý, s kým sdílíte následující odkaz, bude moci číst tento obsah:
Poskytuje iniciativa Springer Nature SharedIt pro sdílení obsahu
Předměty
Bioenergetika
Zelená chemie
Metabolické dráhy
Molekulární inženýrství
Tento článek je citován
Bio-inspirovaná zelená energie: Termoproudový generátor
Prisa HosseinnezhadSohrab BehniaSamira Fatizadeh
Transakce s elektrickými a elektronickými materiály (2021)
Vytvoření diaforázy prostřednictvím řízené evoluce pro aplikaci enzymatických biopalivových článků
Chunling MaMeixia LiuZhiguang Zhu
Bioresources and Bioprocessing (2020)
Charakterizace hypertermofilní fosfatázy z Archaeoglobus fulgidus a její aplikace v in vitro syntetickém enzymatickém biosystému
Wei WangDongdong MengChun You
Bioresources and Bioprocessing (2019)
Syntetická biologie je bez buněk
Aidan TinafarKatariina JaenesKeith Pardee
BMC Biology (2019)
Urychlení fosforolýzy cellodextrinu pro výrobu bioelektřiny z celulózové biomasy integrací syntetického dvouenzymového komplexu do in vitro syntetického enzymatického biosystému
Dongdong MengRanran WuChun You
Biotechnology for Biofuels (2019)
Komentáře
Odesláním komentáře souhlasíte s tím, že se budete řídit našimi Podmínkami a Pokyny pro komunitu . Pokud najdete něco urážlivého nebo co není v souladu s našimi podmínkami nebo pokyny, označte to jako nevhodné.
https://www.nature.com/articles/ncomms4026
Přeloženo díky Google
Publikováno:21. ledna 2014
Cukrová biobaterie s vysokou energetickou hustotou založená na syntetické enzymatické dráze
Zhiguang Zhu ,Tsz Kin Tam ,Fangfang Sun ,Chun You &Y. -H. Percival Zhang
Příroda komunikace hlasitost 5 , Číslo článku: 3026 ( 2014 ) Citovat tento článek
38 tisíc přístupů
202 Citace
455 Altmetric
Metrikypodrobnosti
Tento článek byl aktualizován
Abstraktní
Zelené a bezpečné baterie s vysokou energetickou hustotou jsou vysoce žádoucí pro uspokojení rychle rostoucích potřeb přenosné elektroniky. Neúplná oxidace cukrů zprostředkovaná jedním nebo několika enzymy v enzymatických palivových článcích trpí nízkou hustotou energie a pomalými reakčními rychlostmi. Zde ukazujeme, že téměř 24 elektronů na glukózovou jednotku maltodextrinu může být produkováno syntetickou katabolickou cestou, která zahrnuje 13 enzymů v enzymatickém palivovém článku dýchajícím vzduch. Tento enzymatický palivový článek je založen na neimobilizovaných enzymech, které vykazují maximální výstupní výkon 0,8 mW cm - 2 a maximální hustotu proudu 6 mA cm- 2, které jsou mnohem vyšší než hodnoty pro systémy založené na imobilizovaných enzymech. Enzymatické palivové články obsahující 15% (hmot./obj.) roztok maltodextrinu mají hustotu akumulace energie 596 Ah kg- 1 , což je o jeden řád vyšší než u lithium-iontových baterií. Biobaterie poháněné cukrem by mohly sloužit jako zelené zdroje energie nové generace, zejména pro přenosnou elektroniku.
Úvod
Rychle rostoucí poptávka po napájení přenosných elektronických zařízení je hnacím motorem vývoje lepších baterií s vlastnostmi, jako je zvýšená hustota skladování energie, vysoká úroveň bezpečnosti, rychlé dobíjení, biologická rozložitelnost a malé ekologické stopy 1 . Dobíjecí lithium-iontová baterie je často preferovaným systémem, protože nabízí vysokou hustotu energie, má flexibilní a lehkou konstrukci a má delší životnost než srovnatelné technologie baterií 1 , 2 . Hustota akumulace energie typické lithium-iontové baterie je ~0,54 MJ kg −1 (tj. 150 Wh kg −1). Široké používání kovem katalyzovaných baterií také vyvolává mnoho obav, které se týkají především bezpečnosti, znečištění toxickými kovy a dostupnosti drahých, omezených, nenahraditelných nebo vzácných zdrojů kovů.
Enzymatické palivové články (EFC) jsou nově vznikající elektrobiochemická zařízení, která přímo přeměňují chemickou energii z různých paliv na elektřinu pomocí levných biokatalyzátorových enzymů 3 , 4 , 5 , 6 . Inspirované živými buňkami, které mohou využívat složité organické sloučeniny, například škrob a glykogen) jako skladované zdroje energie, představují cukrem poháněné EFC další generaci biologicky odbouratelných, vysoce bezpečných biobaterií. Ve srovnání s mikrobiálními palivovými články generují EFC obvykle mnohem vyšší hustotu výkonu v mW cm 2 . Tato funkce zdůrazňuje jejich velký potenciál pro napájení různých přenosných elektronických zařízení v blízké budoucnosti 5 , 7 , 8.
V zásadě mohou mít paliva používaná v EFC vysokou hustotu akumulace energie, pokud jsou zcela oxidována. Například spalovací energie glukózy je 15,5 MJ kg −1 . Glukóza může uvolnit až 3 574 Ah kg −1 , což je 85krát více než energie uvolněná lithium-iontovými bateriemi (42 Ah kg −1 ). Většina EFC běží na komplexních organických sloučeninách (například glukóza, metanol, glycerol a tak dále). Proto lze vysokých potenciálů hustoty akumulace energie dosáhnout pouze tehdy, pokud jsou tato paliva zcela oxidována na CO 2, jak se vyskytuje v živých buňkách prostřednictvím komplikovaných katabolických drah. Přirozené katabolické cesty však nemusí být pro praktické použití v EFC proveditelné, protože téměř všechny tyto cesty vyžadují nákladná a labilní činidla, jako je ATP, koenzym A a komplexní buněčné membrány. Neúplná oxidace organických paliv zprostředkovaná jedním nebo několika enzymy v EFC má za následek nízkou hustotu energie, plýtvání palivem a inhibici enzymů metabolickými produkty. In vitro syntetické enzymatické dráhy byly konstruovány na anodových kompartmentech v EFC pro hlubokou nebo úplnou oxidaci methanolu 9 , 10 , ethanolu 11 , glycerolu 12 a glukózy 13. Předchozí studie však neposkytly kvantitativní důkazy (například Faradayova účinnost) pro úplnou oxidaci organických paliv v mikrobiálních palivových článcích 14 , 15 .
Cukry jsou atraktivními palivy pro EFC, protože jsou hojné, obnovitelné, levné v $ GJ −1 , netoxické, bezpečné pro skladování a distribuci a uhlíkově neutrální po celý životní cyklus 16 . Škrob je v přírodě nejpoužívanější sloučeninou pro uchovávání energie. Katabolismus škrobu umožňuje pomalé a téměř konstantní uvolňování chemické energie v živých buňkách, která se liší od jeho monomeru glukózy 17 . Maltodextrin, částečně hydrolyzovaný škrobový fragment, je lepší palivo než glukóza v EFC, protože maltodextrin má o 11 % vyšší energetickou hustotu než glukóza. Maltodextrin je také méně nákladný, protože glukóza je hlavním produktem jeho enzymatické hydrolýzy a levný lineární maltodextrin lze vyrobit z celulózy 17. Ekvivalentní hmotnost maltodextrinu má mnohem nižší osmotický tlak než glukóza. Navíc může poskytovat pomalu metabolizovaný glukóza-1-fosfát pro stabilnější výrobu elektřiny v uzavřených EFC6 . Maltodextrin byl použit jako palivo pro EFC, ale na jednotku glukózy mohly být generovány pouze dva elektrony 6 .
V této studii je syntetická katabolická dráha bez ATP a CoA, která obsahuje 13 enzymů v EFC dýchajícím vzduch, konstruována tak, aby zcela oxidovala glukózové jednotky maltodextrinu, čímž se získá téměř 24 elektronů na glukózu. Zjistili jsme, že EFC založené na neimobilizovaných enzymech vykazuje maximální výstupní výkon mnohem vyšší než ty založené na imobilizovaných enzymech. Tyto biobaterie poháněné cukrem se vyznačují vysokou hustotou ukládání energie a vysokou bezpečností. Tyto baterie tedy představují mikrozdroje nové generace, které by mohly být užitečné zejména pro přenosnou elektroniku.
Výsledek
Srovnání neimobilizovaných a imobilizovaných enzymů
Imobilizace enzymů na povrchu vodivých elektrod je široce používána téměř ve všech EFC. Enzymy jsou imobilizovány pomocí různých metod, včetně zachycení gelu, fyzikální adsorpce, chemické kovalentní vazby a imobilizace pomocí nanočástic a nanotrubic 3 , 18 , 19 . Tyto metody pocházejí z biosenzorů, které se zaměřují na dosažení reprodukovatelných signálů imobilizací komerčně dostupných mezofilních enzymů, aby se zvýšila jejich stabilita bez obav z pomalé reakční rychlosti3 , 20. Enzymy imobilizované na povrchu pevných elektrod však obecně vykazují mnohem nižší aktivity (například 1 %) v důsledku deaktivace enzymu a špatného přenosu paliva ze zásobních roztoků do imobilizovaných enzymů 8 , 21 , 22 .
Abychom dosáhli konstantních vysoce výkonných EFC, zvažovali jsme alternativní strategii pro zprostředkování přenosu elektronů v EFC bez imobilizace enzymů. Naše strategie zachovává enzymatickou aktivitu a usnadňuje přenos hmoty imobilizací elektronového mediátoru (tj. vitaminu K3 (VK3 ) ) na povrchu elektrody ( obr. 1a(3) ) . Stabilitu enzymů lze řešit použitím termoenzymů. V této studii byly termoenzymy produkovány v E. coli a purifikovány třemi metodami: srážením teplem, pryskyřicí nabitou His-tag/niklem a adsorpcí proteinů označených modulem vázajícím celulózu na celulózovém adsorbentu ( doplňkový obr. S1 a doplňkový Tabulka S1). Jako kontroly byly použity dva typické přístupy enzymové imobilizace pro EFC: zachycení polymerní matrice v kvartérním tetrabutylamonium bromidu (TBAB) modifikovaném Nafion 11 ( obr. 1a(1) ) a kovalentní vazba na uhlíkové nanotrubice (CNT) 23 ( obr. 1a( 2) ). Pro srovnání EFC vybavených neimobilizovanými enzymy se dvěma EFC vybavenými imobilizovanými enzymy byla použita ekvivalentní množství glukózo-6-fosfát (g6p) dehydrogenázy (G6PDH) a diaforázy (DI) k testování polarizace a výkonových výstupů EFC pro palivo g6p ( obr. 1b,c ). Oblast transportu hmoty pro neimobilizované EFC se vyskytla při vyšších proudových hustotách ve srovnání s EFC na bázi kovalentní vazby ( obr. 1b), což naznačuje vliv zvýšeného transportu hmoty pro neimobilizované enzymy. EFC založený na neimobilizovaném G6PDH vykazoval nejvyšší hustotu výkonu 0,13 mW cm- 2 , třikrát vyšší než u metody kovalentní vazby. EFC založený na metodě zachycování polymeru Nafion modifikovanou TBAB měl nejnižší maximální hustotu výkonu 0,0013, mW cm- 2 , což byla pouze 4 % hustoty pro metodu kovalentní vazby. G6PDH imobilizovaný zachycením polymeru Nafion a kovalentní vazba si zachovaly 0,2 a 6 % své neimobilizované aktivity. DI imobilizovaný zachycením polymeru Nafion a kovalentní vazba si zachovaly 0,4 % a 7,5 % své neimobilizované aktivity ( doplňková tabulka S2). Tyto údaje o enzymové aktivitě jasně naznačují, že dochází k dramatické ztrátě aktivity v důsledku imobilizace enzymu21,22 . Údaje o hustotě výkonu ověřují proveditelnost použití neimobilizovaného enzymu (enzymů) k dosažení vysokého výkonu v EFC.
Obrázek 1: Porovnání elektrod na bázi imobilizovaných a neimobilizovaných enzymů.
Obrázek 1
( a ) Schéma (1) imobilizace zachycené polymerem Nafion modifikovaným TBAB, (2) imobilizace CNT s kovalentní vazbou a (3) neimobilizovaných enzymů. Profily hustoty napětí versus proudová hustota ( b ) a hustoty výkonu versus proudová hustota ( c ) s použitím (1) TBAB-modifikované imobilizace Nafion zachycené polymerem (vložený obrázek), (2) kovalentně vázané imobilizace a (3) ne - imobilizované enzymy. Experimentální podmínky byly 1 U G6PDH, 40 U DI, 10 mM g6p ve 100 mM HEPES (pH 7,5) pufru obsahujícím 2 mM NAD + , 10 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 při teplotě místnosti.
Obrázek v plné velikosti
Kompletní oxidace maltodextrinu
Pro uvolnění maximálního elektronového potenciálu z každé glukózové jednotky (tj. 24 na glukózu) jsme navrhli nepřirozenou enzymatickou dráhu obsahující 13 enzymů ( obr. 2a ). Tato syntetická cesta se skládá ze čtyř funkčních modulů: generace g6p z maltodextrinu zprostředkovaná α-glukan fosforylázou (α-GP) a fosfoglukomutázou (PGM) (rovnice 1); dvě redukované NADH generované z g6p zprostředkované dvěma NAD-dependentními G6PDH a 6-fosfoglukonátdehydrogenázou (6PGDH) (rovnice 2); Elektrooxidace NADH přes neimobilizovaný DI na imobilizovaný VK 3který generuje 2 elektrony na NADH (rovnice 3); a 5/6 molů regenerace g6p z 1 molu ribulóza-5-fosfátu prostřednictvím hybridní dráhy, která obsahuje enzymy v pentózofosfátové, glykolýzové a glukoneogenezní dráze (rovnice 4). Celková anodová reakce pro kombinaci rovnic 1, 2, 3, 4 přibližně vede k rovnici 5. Je zřejmé, že každá glukózová jednotka z maltodextrinu může generovat 24 elektronů na anodě prostřednictvím této cesty de novo (rovnice 5).
Obrázek 2: Kompletní oxidace maltodextrinu na základě syntetické enzymatické dráhy.
obrázek 2
( a ) Schéma úplné oxidace maltodextrinu prostřednictvím syntetické katabolické dráhy. Enzymy jsou následující — 1: αGP, α-glukan fosforyláza; 2: PGM, fosfoglukomutáza; 3: G6PDH, glukóza-6-fosfátdehydrogenáza; 4: 6PGDH, 6-fosfoglukonát dehydrogenáza; 5: RPI, ribosa-5-fosfát izomeráza; 6: Ru5PE, ribulóza-5-fosfát-3-epimeráza; 7: TK, transketoláza; 8: TAL, transaldoláza; 9: TIM, triosefosfát izomeráza; 10: ALD, aldoláza; 11: FBP, fruktóza-1,6-bisfosfatáza; 12: PGI, fosfoglukóza izomeráza; a 13: DI, diaforáza. Klíčovými metabolity jsou glukóza-1-fosfát (g1p), glukóza-6-fosfát (g6p), 6-fosfoglukonát (6 pg) a ribulóza-5-fosfát (ru5P). Pi , anorganický fosfát ; VK 3 , vitamín K 3 . ( b) Profily hustoty výkonu versus hustota proudu pro cukrovou biobaterii využívající pouze G6PDH, G6PDH a 6PGDH nebo celou cestu. Experimentální podmínky byly 100 mM HEPES, pH 7,5, pufr obsahující 0,1 mM maltodextrin, 4 mM NAD + , 100 mM HEPES, pH 7,5, 4 mM fosforečnan sodný, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM, DTT205 mM nCl thiaminpyrofosfát při pokojové teplotě. Podmínky plnění enzymu jsou uvedeny v doplňkové tabulce SI . ( c ) Profily pro současnou generaci a kumulativní Faradayovu účinnost. Experimentální podmínky byly 100 mM HEPES, pH 7,5, pufr obsahující 0,1 mM maltodextrinu, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD +, 4 mM fosforečnan sodný, 5 mM DTT, 0,5 mM thiaminpyrofosfát, 50 mg l −1 kanamycin, 40 mg l −1 tetracyklin, 40 mg l −1 cykloheximid, 0,5 g l −1 azid sodný, 1 g BSA −1 g % Triton X-100.
Obrázek v plné velikosti
Tato dráha využívá dva NAD-dependentní G6PDH a 6PGDH k vytvoření NADH odlišně od přirozených NADP-dependentních enzymů v pentózofosfátové dráze používané pro anabolismus. Výše uvedená cesta nevyžaduje ani ATP ani CoA, které jsou velmi nákladné a nestabilní v EFC 11 , 24 . Navíc lze fosfátové ionty recyklovat, aby se udrželo konstantní pH a koncentrace iontů. Tento návrh cyklické dráhy se liší od lineárních drah typicky používaných v EFC 9 , 12 , 13 .
Výkonové hustoty z maltodextrinového paliva (tj. 2 mM glukózových jednotek) byly porovnány pro tři EFC, které používaly jednu dehydrogenázu (tj. G6PDH), dvě dehydrogenázy (tj. G6PDH a 6PGDH) nebo celou dráhu ( obr. 2b ) . . Potenciály otevřeného obvodu byly pro tři EFC podobné (~0,7 V). Když byl použit pouze G6PDH, EFC vykazoval maximální hustotu výkonu 0,011 mW cm- 2 . Když byla přidána druhá dehydrogenáza (6PGDH), maximální hustota energie se zvýšila faktorem 2 na 0,024 mW cm- 2 . Když bylo přidáno osm dalších enzymů k rekonstituci celé dráhy ( obr. 2a ), maximální hustota energie se mírně zvýšila na 0,026 mW cm- 2. Odpovídající maximální proudová hustota byla o 35 % vyšší než proudová hustota systému založeného na dvou dehydrogenázách ( obr. 2b ).
Abychom kvantitativně potvrdili úplnou oxidaci glukózových jednotek maltodextrinu, měřili jsme Faradayovu účinnost z NADH na elektrony prostřednictvím DI a VK 3 v EFC dýchajícím vzduch ( doplňkový obr. S2 ). Za podmínek bez kyslíku pro anodový prostor byla Faradayova účinnost EFC 97,6 ± 3,0 % ( doplňkový obr. S3 ), což naznačuje, že elektroenzymatická oxidace NADH je vysoce účinná 9 . Kromě toho bylo odstranění kyslíku z anodového prostoru nezbytné pro dosažení vysoké Faradayovy účinnosti a zabránění neselektivní oxidaci NADH. V 15ml EFC obsahujícím 13 enzymů a nízkou koncentraci maltodextrinu při pokojové teplotě ( obr. 2c), proudová hustota vzrostla na maximální hodnotu 0,12 mA cm - 2 po 24 hodinách a poté pomalu klesala kvůli spotřebě substrátu. Po >150 h klesl proudový výstup téměř na nulu. Kumulativní generovaný elektrický náboj byl 48,9 C vzhledem k teoretickému elektrickému náboji generovanému na základě spotřeby glukózových jednotek (tj. 53,0 C, 1 mol glukózové jednotky může v principu generovat 24 × 96 485 C). Tento výsledek naznačuje kumulativní Faradayovu účinnost 92,3 % s 1 molem glukózy generujícím 22,2 molů elektronů. Bylo zaznamenáno, že negativní kontrola (to znamená stejný EFC bez substrátu) negenerovala významné proudové výstupy ( doplňkový obr. S4 ). Faradayova účinnost byla vyšší než u mikrobiálních palivových článků na bázi glukózy (83 %)14 , protože bezbuněčné biosystémy neplýtvají organickými palivy na růst buněk a tvorbu vedlejších produktů, jak bylo prokázáno dříve 25 , 26 . Náš systém poskytuje první kvantitativní důkaz pro téměř 24 elektronů produkovaných na jednotku glukózy v EFC. Naše data navíc naznačují, že můžeme přeměnit veškerou chemickou energii z cukru na elektrickou energii a zvýšit hustotu energie EFC o jeden řád.
EFC s vysokou energetickou hustotou a vysokým výkonem
Hustota výkonu je dalším důležitým faktorem v EFC. Abychom zvýšili hustotu výkonu, optimalizovali jsme řadu faktorů, včetně konfigurace EFC, zatížení enzymu a experimentálních podmínek, za kterých neimobilizovaný G6PDH působí na g6p. Optimální zatížení CNT bylo 3 mg cm −2 uhlíkového papíru ( doplňkový obr. S5a ). Šest elektrod naskládaných dohromady jako trojrozměrná anoda zvýšilo maximální hustotu výkonu o 50 % a maximální hustotu proudu čtyřnásobně ( doplňkový obr. S5a,b ). Zvýšení zatížení enzymu z 1 na 10 U na článek drasticky zvýšilo maximální hustotu výkonu a maximální hustotu proudu na 0,35 mW cm - 2 a 4,1 mA cm- 2při pokojové teplotě (23 °C; doplňkový obr. S5c ). Zvýšení teploty na 50 °C zdvojnásobilo maximální hustotu výkonu na 0,8 mW cm −2 ( doplňkový obr. S5d ).
EFC, který obsahuje 13 neimobilizovaných enzymů na bázi 15 % (hm./obj.) maltodextrinu, generoval maximální hustotu výkonu 0,4 mW cm- 2 při rychlosti skenování 1 mV s- 1 při pokojové teplotě. EFC generoval téměř konstantní výstupní výkon ~0,32 mW cm- 2 po dobu 60 hodin v uzavřeném systému ( obr. 3 ). Navíc sada dvou EFC na bázi kyvet může napájet digitální hodiny a světlo emitující diodu (LED) ( doplňkový obr. S6 ), což naznačuje, že tyto EFC by mohly být v blízké budoucnosti použity k napájení řady elektronických zařízení .
Obrázek 3: Trvalý výkon a proudové výstupy pro 13-enzymový palivový článek.
obrázek 3
EFC má externí zátěž 150 Ω a běží při pokojové teplotě. Experimentální podmínky jsou 100 mM HEPES, pH 7,5, pufr obsahující 15 % hm./obj. maltodextrin, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD + , 0,5 mM thiaminpyrofosfát, 40 mM fosfát sodný a 5 mM nefosfát sodný - podmínky zatížení imobilizovaným enzymem 30 jednotek 1–4 enzymů, 10 jednotek 5–12 enzymů, 80 jednotek DI, 50 mg l −1 kanamycin, 40 mg l −1 tetracyklin, 40 mg l −1 cykloheximid, 0,5 g l −1 azid sodný, 1 g l −1 BSA a 0,1% Triton X-100 v 15ml uzavřeném anodovém prostoru.
Obrázek v plné velikosti
Diskuse
Úplná oxidace glukózových jednotek 15% roztoku maltodextrinu znamená, že hustota ukládání energie tohoto cukrem poháněného EFC může být až 596 Ah kg −1 , což je o více než jeden řád vyšší než energetická- skladovací hustoty pro lithium-iontové baterie a primární baterie ( obr. 4 a doplňková tabulka S3 ). Přestože jsou napětí EFC (například 0,5 V) mnohem nižší než napětí lithium-iontových baterií (3,6 V), hustota energie 15% EFC napájeného cukrem může dosáhnout až 298 Wh kg −1 , několikanásobně vyšší než u běžných dobíjecích baterií (například Pd acid, NiMH a lithium-iontové baterie) a vyšší než u běžných primárních baterií (například zinko-uhlíkové, alkalické a Li-MnO2 baterie; Obr. 4 ). EFC na bázi kyvet ( doplňkový obr. S6 ) má hustotu akumulace energie ~238 Wh kg −1 pro celý systém, protože hmotnost kombinovaných materiálů elektrod, plastové kyvety a sestavy membránové elektrody představuje ~20 % z celkové hmotnosti zařízení. Takové biobaterie lze považovat za ekologické, jednorázové primární baterie, protože mají lepší hustotu energie a menší dopad na životní prostředí.
Obrázek 4: Porovnání hustoty energie mezi bateriemi a EFC.
obrázek 4
EFC jsou napájeny 500 mM metanolem, 7,2 % hmotn./obj. glukózy nebo 15 % hmotn./obj. maltodextrinu nebo dehydratovanými palivy při napětí 0,5 V. Další informace jsou k dispozici v doplňkové tabulce S3 .
Obrázek v plné velikosti
Kromě řádového zlepšení energetické hustoty cukrových biobaterií prostřednictvím této syntetické cesty, ve srovnání se systémem s jedním redoxním enzymem ( obr. 4 ), mohou být znovu naplněny biobaterie vybavené neimobilizovanými enzymovými kaskádami . přidáním cukerného roztoku, protože jediný plynný produkt (C02 ) může být snadno uvolněn z anodového prostoru a neimobilizované enzymy nejsou vymyty z EFC. Neimobilizovaný enzym EFC byl testován přidáním cukerného roztoku dvakrát ( doplňkový obrázek S7 ). Snížený výkon EFC však naznačoval další výzkum a vývoj potřebný k prodloužení životnosti EFC.
Tyto cukrové biobaterie představují nový typ dobíjecích baterií. Jednou z největších výhod palivových článků ve srovnání s uzavřenými primárními a sekundárními bateriemi je to, že se jedná o otevřené systémy, které využívají paliva s vysokou energetickou hustotou (například H 2 , metanol, glukózu a maltodextrin), která mohou být přiváděna do palivového článku. zařízení nepřetržitě (například palivové články s protonovou výměnnou membránou) nebo sporadicky (například přímé metanolové palivové články a cukrové baterie 4 , 27). Když je hmotnostní poměr paliva k systému palivových článků dostatečně velký (tj. 5–10) nebo pokud je palivový článek několikrát doplňován, hustota energie celého systému, včetně paliva, palivové nádrže a systém palivových článků se může blížit teoretické hustotě energie použitého paliva. Je zřejmé, že použití bezvodých chemikálií jako paliv je atraktivnější z hlediska hustoty akumulace energie ( obr. 4 ). V takovém systému je však vyžadována samostatná palivová nádrž a komplikovaný systém podávání paliva.
Maltodextrin je lepší palivo EFC než alkoholy (například methanol) nebo glukóza. Maltodextrin se pomalu využívá syntetickou cestou ke generování téměř konstantního výkonu ( obr. 3 ) spíše než špičkového výkonu během krátké doby10 . Navíc většina enzymů nemůže dobře fungovat ve vysokých koncentracích alkoholu nebo glukózy kvůli inhibici nebo nízké aktivitě vody. Například nejvyšší koncentrace metanolu, kterou lze použít v EFC, je ~0,5 M, což má za následek nižší hustotu akumulace energie 40,2 Wh kg- 1 ( obr. 4 ) 28 . Podobně vysoké koncentrace glukózy (například 0,4 M) 7 vedou k vysokým osmotickým tlakům (~9,85 atm), které mohou narušit aktivitu enzymu 29. Ve srovnání s šestienzymovým EFC, který oxiduje glukózu na CO2 (odkaz 13 ), inherentně nízké, ale promiskuitní aktivity jednoho enzymu, který katalyzuje několik substrátů, mají za následek velmi nízké hustoty energie . Zdá se, že použití více než deseti enzymů pro realizaci složitých reakcí pro výrobu biokomodit, čistých chemikálií a léčiv není ekonomicky příliš vysoké 25 , 26 , 30 , 31 , 32 , 33 .
Jednou z nejdůležitějších otázek pro cukrové biobaterie je prodloužení jejich životnosti. To zahrnuje zlepšení stability enzymů, kofaktorů a mediátorů 3 . Byl proveden předběžný diagnostický experiment pro studium sníženého výkonu neimobilizovaných EFC ( doplňkový obr. S8a ). Přidání nového substrátu a směsi enzymů do EFC vedlo ke čtvrtině maximálního výkonu, což naznačuje, že deaktivace enzymu je jednou z příčin sníženého výkonu po více než 1 týdnu provozu při pokojové teplotě. Místo použití imobilizovaných enzymů podobných těm ve většině EFC jsme prodloužili životnost enzymů pomocí neimobilizovaných termoenzymů izolovaných z (hyper)termofilních mikroorganismů 34. Je zřejmé, že relativně nestabilní termoenzymy, jako je fosfoglukózaizomeráza, α-GP a PGM, izolované z termofilů, mohou být nahrazeny enzymy z hypertermofilů nebo uměle vytvořenými mutantními enzymy generovanými proteinovým inženýrstvím (tj. racionálním návrhem, řízenou evolucí nebo kombinací metody). Kromě toho se poločas neimobilizovaných enzymů zvýšil z 5,0 dne na 7,7 dne přidáním 1 g l -1 BSA a 0,1 % Triton X-100 ( doplňkový obr. S8b ), což naznačuje, že formulace enzymu Směs může být také upravena tak, aby se prodloužila životnost neimobilizovaných směsí enzymů. Kromě toho výměna starých anod za nové zdvojnásobuje výstupní výkon na téměř polovinu maximálního výstupního výkonu ( doplňkový obr. S8a), což naznačuje, že vyluhování adsorbovaného VK 3 z anody má za následek nižší výstupní výkon. Proto bude důležité přijmout lepší způsob imobilizace mediátorů podobných VK 3 na povrchu anod 35 .
Kromě zvýšené stability enzymů a mediátorů by se budoucí výzkum a vývoj vysoce výkonných EFC poháněných cukrem měl zaměřit na zvýšení hustoty výkonu, prodloužení životnosti EFC a nahrazení platiny v katodách lakázou 8 resp . bilirubin oxidáza 7 . S ohledem na první cíl by mohla být hustota výkonu EFC zvýšena na 10 mW cm - 2 nebo vyšší pomocí kombinace nově vyvinutých nanomateriálů s vysokou elektrickou vodivostí a nanomateriálů s velkou povrchovou plochou jako elektrod, jako jsou grafenové pěny 36 nebo karbonizované aerogely 37 , 38 z nanovláken . Výkon lze také zlepšit pomocí lepších mediátorů 5aktivnější enzymy nebo enzymatické komplexy 39 a optimalizované poměry enzymů předpovězené v křemíkových modelech 40 . S ohledem na druhý cíl, použití stabilnějších termoenzymů, lepších mediátorů a kofaktorů a lepší formulace enzymů může prodloužit životnost EFC na měsíce nebo déle při pokojové teplotě, podobně jako proteázy používané v tekutých detergentech. Navíc nákladné a labilní NAD lze nahradit levnými a stabilními biomimikry41,42 .
Abychom to shrnuli, cukrové biobaterie s vysokou energetickou hustotou, které využívají tuto syntetickou katabolickou dráhu, by mohly představovat další generaci ekologických zdrojů energie, protože mají mnoho atraktivních vlastností, jako je vysoká hustota energie, bezpečnost, biologická odbouratelnost a nízké náklady na katalyzátor bez potřeby. pro drahé kovy a prvky vzácných zemin. Degradace EFC v důsledku relativně krátké životnosti enzymů, kofaktorů a mediátorů však musí být vyřešena, než bude možné EFC použít ve velkém měřítku.
Metody
Chemikálie
Všechny chemikálie, včetně maltodextrinu (ekvivalent dextrózy 4,0–7,0, tj. naměřený stupeň polymerace 19), VK 3 , nikotinamid adenindinukleotid (NAD, včetně oxidované formy (NAD + ) i redukované formy (NADH) ), poly- L-lysin (PLL, molekulová hmotnost, ~70–150 kDa), dithiothreitol (DTT), 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylkarbodiimid hydrochlorid (EDC) a N-hydroxysukcinimid byly jako reagencie nebo vyšší a byly zakoupeny od Sigma-Aldrich (St Louis, MO, USA) nebo Fisher Scientific (Pittsburgh, PA, USA), pokud není uvedeno jinak. Restrikční enzymy, T4 ligáza a Phusion DNA polymeráza byly zakoupeny od New England Biolabs (Ipswich, MA, USA). Oligonukleotidy byly syntetizovány buď Integrated DNA Technologies (Coraville, IA, USA) nebo Fisher Scientific. Uhlový papír (AvCarb MGL200) použitý v anodách byl zakoupen od Fuel Cell Earth (Stoneham, MA, USA). Sestavy membránových elektrod sestávající z membrán Nafion 212 a katody z uhlíkové tkaniny modifikované 0,5 mg cm- 2Pt byly zakoupeny od Fuel Cell Store (San Diego, CA, USA). Vícestěnné CNT funkcionalizované COOH s vnějším průměrem <8 nm a délkou 10–30 μm byly zakoupeny od CheapTubes.com (Brattleboro, VA, USA). Regenerovaná amorfní celulóza použitá při čištění enzymů byla připravena z Avicelu PH105 (FMC, Philadelphia, PA, USA) jejím rozpuštěním a regenerací, jak je popsáno jinde43 . Escherichia coli Top10 byla použita jako hostitelská buňka pro manipulaci s DNA a E. coli BL21 Star (DE3) (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) byla použita jako hostitelská buňka pro expresi rekombinantního proteinu. Pro E. coli bylo použito médium Luria–Bertani obsahující buď 100 mg l −1 ampicilinu nebo 50 mg l −1 kanamycinubuněčný růst a exprese rekombinantního proteinu25 .
Produkce a purifikace rekombinantních enzymů
Kmen E. coli BL21 Star (DE3) nesoucí proteinový expresní plazmid byl inkubován v 1litrové Erlenmeyerově baňce s 250 ml Luria–Bertaniho média obsahujícího buď 100 mg l −1 ampicilinu nebo 50 mg l −1 kanamycinu. Buňky byly pěstovány při 37 °C s rotačním třepáním při 250 rpm, dokud absorbance buněčné kultury při 600 nm nedosáhla 0,6–0,8. Exprese proteinu byla indukována přidáním 100 uM isopropyl-p- D-thiogalaktopyranosid během inkubace přes noc při 18 °C. Buňky byly sklizeny centrifugací při 4 °C a jednou promyty 20 mM HEPES (pH 7,5) obsahujícím 0,3 M NaCl. Buněčné pelety byly resuspendovány ve stejném pufru a lyžovány ultrazvukem (Fisher Scientific Sonic Dismembrator Model 500; 5-sekundový puls zapnutý a vypnutý, celkem 300 s při 50% amplitudě). Po centrifugaci byly cílové proteiny v supernatantech purifikovány. K čištění různých rekombinantních proteinů byly použity tři přístupy ( doplňková tabulka SI ). His-značené proteiny byly purifikovány pomocí Profinity IMAC Ni-Charged Resin (Bio-Rad, Hercules, CA, USA). Fúzní proteiny obsahující modul vázající celulózu a samoštěpící intein byly purifikovány pomocí vysokoafinitní adsorpce na velkoplošné regenerované amorfní celulóze44 , 45 . Srážení teplem při 80 °C po dobu 20 minut bylo použito k čištění ribosa-5-fosfát izomerázy, ribulóza-5-fosfát epimerázy , triosefosfát izomerázy (TIM)a aldolázy46,47 . Čistota rekombinantních proteinů byla zkoumána pomocí SDS-PAGE ( doplňkový obrázek S1 ).
Testy enzymové aktivity
Aktivita aGP Clostridium thermocellum byla testována ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 1 mM MgCl2 , 5 mM DTT, 30 mM maltodextrin a 10 mM fosforečnan sodný při 23 °C po dobu 5 minut. Reakce byla zastavena přidáním HC104 a neutralizována KOH. Glukóza-1-fosfát byl měřen pomocí testovací soupravy glukóza hexokináza/G6PDH (Pointe Scientific, Canton, MI, USA) doplněné PGM6 .
C. thermocellum PGM aktivita byla měřena ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 5 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 a 5 mM glukóza-1-fosfát při 23 °C po dobu 5 minut. Produkt g6p byl stanoven pomocí testovací soupravy hexokináza/ G6PDH48 .
Aktivita Geobacillus stearothermophilus G6PDH byla testována ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 100 mM NaCl, 2 mM g6p, 2 mM NAD + , 5 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 při 23 °C. Zvýšení absorbance v důsledku tvorby NADH bylo měřeno při 340 nm23 .
Aktivita 6PGDH Morella thermoacetica byla měřena ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 2 mM 6-fosfoglukonát, 2 mM NAD + , 5 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 při 23 °C po dobu 5 minut23 .
Aktivita ribosa-5-fosfát izomerázy Thermotoga maritima byla testována pomocí modifikované Discheovy cystein-karbazolové metody 46 .
Aktivita ribulóza-5-fosfát epimerázy T. maritima byla stanovena na substrátu D -ribulóza-5-fosfátu, jak bylo popsáno dříve31 .
Aktivita transketolázy Thermus thermophilus byla měřena v 50 mM Tris/HCl (pH 7,5) pufru obsahujícím 0,8 mM D -xylulóza 5-fosfát, 0,8 mM D -ribóza-5-fosfát, 5 mM MgCl2 , 0,5 mM thiaminpyrofosfát, NADH, 60 U ml −1 TIM a 20 U ml −1 glycerol-3-fosfátdehydrogenázy. Reakce byla zahájena přidáním transketolázy při 23 °C. Produkt D -glyceraldehyd-3-fosfát byl kvantifikován prostřednictvím spotřeby NADH měřené při 340 nm po dobu 5 minut.
Aktivita transaldolázy T. maritima byla testována, jak bylo uvedeno dříve49 .
Aktivita TIM T. thermophilus byla stanovena v 50 mM Tris/HCl (pH 7,5) obsahujícím 5 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 0,5 mg ml -1 BSA , 20 U ml -1 glycerol-3-fosfátdehydrogenázy a 0,25 mM NADH 31 .
Fruktóza-1,6-bisfosfátaldoláza T. thermophilus byla testována v 50 mM Tris/HCl pufru (pH 7,5) při 23 °C s 1,9 mM fruktóza-1,6-bisfosfátu jako substrátu. Glyceraldehyd-3-fosfátový produkt byl kvantifikován pomocí 0,15 mM NADH, 60 U ml - 1 TIM a 20 U ml - 1 glycerol-3-fosfátdehydrogenázy při 340 nm39 .
Aktivita fruktóza-1,6-bisfosfatázy T. maritima byla stanovena na základě uvolňování fosfátu45 .
Aktivita fosfoglukóza izomerázy C. thermocellum byla testována při 23 °C ve 100 mM HEPES (pH 7,5) obsahujícím 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 a 5 mM fruktóza-6- fosfát50 . Po 3 minutách byla reakce zastavena přidáním HC104 a neutralizována KOH. Produkt g6p byl analyzován při 37 °C pomocí testovací soupravy hexokináza/G6PDH.
Aktivita G. stearothermophilus DI byla testována v 10 mM roztoku PBS obsahujícím 0,16 mM NADH a 0,1 mM dichlorfenolindofenol při 23 °C. Snížení absorbance při 600 nm v důsledku spotřeby dichlorfenolindofenolu bylo měřeno pomocí spektrometru 23,51 .
Aktivity G6PDH a DI imobilizovaných na elektrodách z uhlíkového papíru byly testovány za stejných podmínek jako pro volné enzymy. Reakce byly zahájeny ponořením elektrod do roztoku substrátu při 23 °C. Po odstranění elektrod z reakcí byly měřeny změny absorbance v reakčních roztocích, jak je popsáno pro testy G6PDH a DI.
Příprava enzymové anody
Přístroj EFC dýchající vzduch je znázorněn na doplňkovém obrázku S2. Reakční objem anodové komory byl 15 ml. Elektrolyt byl deoxygenován proplachováním ultračistým dusíkem po dobu 30 minut. Elektrolyt byl míchán pomocí magnetické míchací tyčinky při 600 ot./min. K oddělení anody a katody, jejíž povrch byl potažen 0,5 mg cm- 2 Pt, byla použita membrána Nafion 212. Anodovým prostorem byla skleněná nádoba na elektrolyt opatřená pryžovou zátkou pro utěsnění anodového prostoru.
K přípravě anod vybavených imobilizovanými enzymy byly použity dvě metody imobilizace enzymů. Metoda 1 byla založena na zachycení enzymů do kvartérního amonium-bromidu-soli modifikovaného Nafion. Směs licího roztoku byla připravena přidáním 39 mg TBAB k 1 ml 5% suspenze Nafion 1100 EW (Ion Power, Inc., New Castle, DE, USA). Po sušení přes noc byla směs promyta 3,5 ml 18 MQ deionizované vody a resuspendována v 1 ml isopropanolu. Směs enzymového roztoku sestávala z 1 jednotky G6PDH, 40 jednotek DI, 1 mM NAD + a 0,29 M VK3. Anoda z uhlíkového papíru byla pokryta směsí 100 μl licího roztoku a 100 μl roztoku enzymu a sušena při pokojové teplotě. Metoda 2 byla založena na kovalentní vazbě mezi enzymy a CNT. Objem 10 ul 2% hmotn./obj. roztoku PLL byl použit k potažení uhlíkového papíru, poté bylo přidáno 20 ul 25 mM EDC. Mezitím 2,5% hm./obj. COOH-funkcionalizované CNT byly suspendovány v 50% ethanolovém roztoku a sonikovány po dobu 30 minut. Uhlový papír byl poté ošetřen 40 μl roztoku obsahujícího CNT a vysušen při teplotě místnosti. Poté bylo přidáno dalších 10 ul 400 mM EDC a 10 ul 100 mM N - hydroxysukcinimidu, následovalo přidání 1 jednotky G6PDH, 40 jednotek DI, 1 mM NAD + a 10 ul 0,29 M VK 3acetonový roztok. Oba typy anod s imobilizovanými enzymy byly před použitím skladovány ve 100 mM HEPES pufru obsahujícím 2 mM NAD + a 100 mM NaN03 při 4 °C.
Pro přípravu neimobilizovaných enzymových anod bylo 1 nebo 3 mg CNT přidáno na povrch 1 cm 2 uhlíkového papíru (AvCarb MGL200) od Fuel Cell Earth pomocí PLL (molekulová hmotnost, ~70–150 kDa), jak je popsáno dříve 23 . Na suchou anodu obsahující CNT byl pod digestoří nanesen 10- nebo 30-μl roztok 0,29 M VK 3 rozpuštěný v acetonu. Po 2 hodinách odpařování acetonu se ve vodě nerozpustný VK3 uložil na anodu fyzikální adsorpcí.
Elektrochemická charakterizace EFC
Všechny elektrochemické testy byly provedeny pomocí 1000B Multi-Potentiostatu (CH Instruments Inc., Austin, TX, USA) propojeného s osobním počítačem (PC). Experimentální data týkající se proudových a výkonových výstupů byla normalizována na 1 cm 2 plochy anody, protože reakce probíhající na anodě byla krokem omezujícím rychlost a oxidace protonů zprostředkovaná Pt v sestavách membránových elektrod nebyla rychlost omezující. Měření potenciálu otevřeného obvodu a lineární rozmítací voltametrie byla prováděna při rychlosti skenování 1 mV s −1 .
Pro srovnání výroby energie z imobilizovaného a neimobilizovaného enzymu EFC ( obr. 1 ), elektrolyty obsahovaly 10 mM g6p, 100 mM HEPES pufr (pH 7,5), 2 mM NAD + , 10 mM MgCl2 a 0,5 mM MnCl2 . _ Jedna jednotka G6PDH a 40 jednotek DI bylo buď imobilizováno na elektrodách nebo rozpuštěno v elektrolytu.
Když byl jako substrát použit maltodextrin ( obr. 2 ), elektrolyty obsahovaly 100 mM HEPES pufr (pH 7,5), neimobilizované enzymy, 0,1 mM maltodextrin, 4 mM NAD + , 4 mM fosforečnan sodný, 10 mM MgCl2 , 0,0. mM MnCl2 , 5 mM DTT a 0,5 mM thiaminpyrofosfát. Jedna-dehydrogenáza EFC obsahovala první tři enzymy plus DI. Dvoudehydrogenáza EFC obsahovala první čtyři enzymy plus DI. EFC použitý pro kompletní oxidaci maltodextrinu obsahoval všech 13 enzymů. Podmínky plnění enzymu jsou uvedeny v doplňkové tabulce SI .
Úplná oxidace maltodextrinu byla měřena ( obr. 2c a doplňkový obr. S4 ) ve 100 mM HEPES pufru (pH 7,5) obsahujícím 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD + , 4 mM 5 mM fosforečnan sodný, DTT a 0,5 mM thiaminpyrofosfát. K prevenci mikrobiální kontaminace bylo přidáno 50 mg l −1 kanamycinu, 40 mg l −1 tetracyklinu, 40 mg l −1 cykloheximidu a 0,5 g l −1 azidu sodného. Pro zlepšení stability enzymové směsi bylo přidáno 1 g l - 1 BSA a 0,1 % Triton X- 10048 . Podmínky plnění enzymu jsou uvedeny v doplňkové tabulce SI. Amperometrie byla provedena při 0 V pro dosažení maximální proudové hustoty. EFC s 0,2 mM g6p probíhalo 2 dny, dokud nebylo dosaženo téměř nulového proudu, než byl přidán roztok 0,1 mM maltodextrinu (tj. -1,9 mM glukózy). Úplná oxidace maltodextrinu trvala ~1 týden při teplotě místnosti a zbývající maltodextrin byl kvantifikován pomocí SA-20 škrobové testovací soupravy (Sigma-Aldrich). Faradayova účinnost byla vypočtena podle
kde F MD−proud je Faradayova účinnost, C total je celkový generovaný náboj ( C ), Δc glukózová jednotka = c počáteční −c zůstává (M), V je reakční objem (l), 24 představuje 24 elektronů generovaných na glukózu spotřebovaná jednotka a F je Faradayova konstanta. Byl také proveden kontrolní experiment bez maltodextrinu ( doplňkový obr. S4 ).
Abychom dále zvýšili hustotu výkonu EFC, optimalizovali jsme několik faktorů ( doplňkový obr. S5 ). Elektrolytem byl 100 mM HEPES (pH 7,5) pufr obsahující 20 mM g6p, 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 8 mM NAD + , 4 mM fosforečnan sodný, 0,5 mM thiaminpyrofosfát a G6 Všechny experimenty byly provedeny v následujícím pořadí: zatížení CNT (1, 3 nebo 5 mg na elektrodu), počet elektrodových listů nahromaděných dohromady (1, 3 nebo 6), zatížení enzymu (1, 5, 10 nebo 30 jednotek) a reakční teplota (23, 50, 65 a 80 °C).
Nejlepší podmínky EFC byly 100 mM HEPES pufr (pH 7,5), 10 mM MgCl2 , 0,5 mM MnCl2 , 4 mM NAD + , 0,5 mM thiamin pyrofosfát, 5 mM DTT, 15 % (hmotn./obj., 40d sodný) maltod fosfát jako substráty a podmínky enzymové zátěže 30 jednotek 1–4 enzymů, 10 jednotek 5–12 enzymů, 80 jednotek DI, 50 mg l −1 kanamycin, 40 mg l −1 tetracyklin, 40 mg l −1 cykloheximid a 0,5 g l -1 azidu sodného. Pro dlouhodobý nerušivý provoz byl aplikován vnější odpor 150 Ω. Hustota výkonu byla měřena po dobu 60 h při 23 °C ( obr. 3 ).
Dodatečné informace
Jak citovat tento článek: Zhu, Z. Cukrová biobaterie s vysokou energetickou hustotou založená na syntetické enzymatické dráze. Nat. Commun. 5:3026 doi: 10.1038/ncomms4026 (2014).
Historie změn
22. ledna 2016
Dříve publikovaná HTML verze tohoto článku obsahovala prohlášení o konkurenčních finančních zájmech, které nesprávně uvádělo, že neexistují žádné konkurenční finanční zájmy. Toto bylo nyní opraveno v HTML; verze článku ve formátu PDF byla v době zveřejnění správná.
Reference
Armand, M. & Tarascon, JM Staví lepší baterie. Nature 451 , 652-657 (2008).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Chen, Z. a kol. Nová třída nevodných elektrolytů pro bezpečné lithium-iontové baterie s dlouhou životností. Nat. Commun. 4 , 1513 (2013).
Článek
Google Scholar
Moehlenbrock, M. & Minteer, S. Biopalivové články s prodlouženou životností. Chem. Soc. Rev. 37 , 1188-1196 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Calabrese Barton, S., Gallaway, J. & Atanassov, P. Enzymatické biopalivové zvony pro implantabilní a mikroměřítko. Chem. Rev. 104 , 4867-4886 (2004).
Článek
Google Scholar
Cooney, MJ, Svoboda, V., Lau, C., Martin, G. & Minteer, SD Enzyme katalyzované biopalivové články. Energetické prostředí. Sci. 1 , 320-337 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhu, ZG, Wang, YR, Minteer, S. & Zhang, Y.-HP Enzymatický palivový článek napájený maltodextrinem prostřednictvím nepřirozené enzymatické dráhy. J. Power Sources 196 , 7505–7509 (2011).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Sakai, H. a kol. Vysoce výkonný glukózo-kyslíkový biopalivový článek pracující v klidových podmínkách. Energetické prostředí. Sci. 2 , 133-138 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Zebda, A. a kol. Bezmediátorové vysoce výkonné glukózové biopalivové články na bázi komprimovaných uhlíkových nanotrubicových enzymových elektrod. Nat. Commun. 2 , 370 (2011).
Článek
Google Scholar
Palmore, GTR, Bertschy, H., Bergens, SH & Whitesides, GM Metanol/dikyslíkový biopalivový článek, který jako katalyzátory využívá NAD + -dependentní dehydrogenázy: aplikace elektroenzymatické metody k regeneraci nikotinamidadenindinukleotidu při nízkých překročení potenciálu. J. Electroanal. Chem. 443 , 155-161 (1998).
Článek
CAS
Google Scholar
Kim, YH, Campbell, E., Yu, J., Minteer, SD & Banta, S. Kompletní oxidace metanolu v biobateriových zařízeních pomocí hydrogelu vytvořeného ze tří modifikovaných dehydrogenáz. Angew. Chem. Int. Ed. 52 , 1437–1440 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Sokic-Lazic, D. & Minteer, SD Biomimika cyklu kyseliny citronové na uhlíkové elektrodě. Biosens. Bioelektron. 24 , 939-944 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Arechederra, RL & Minteer, SD Kompletní oxidace glycerolu v enzymatickém biopalivovém článku. Fuel Cells 9 , 63–69 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Xu, S. & Minteer, SD Enzymatický biopalivový článek pro oxidaci glukózy na CO2. ACS Catal. 1 , 91-94 (2011).
Google Scholar
Chaudhuri, SK & Lovley, DR Výroba elektřiny přímou oxidací glukózy v mikrobiálních palivových článcích bez mediátoru. Nat. Biotechnol. 21 , 1229-1232 (2003).
Článek
CAS
Google Scholar
Bond, DR & Lovley, DR Výroba elektřiny společností Geobacter sulfurreducens připojených k elektrodám. Appl. Environ. Microbiol. 69 , 1548-1555 (2003).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhang, Y. -HP Sladké řešení pro vodíkovou ekonomiku připravené z krabice: je auto poháněné cukrem sci-fi? Energetické prostředí. Sci. 2 , 272-282 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Vy, C. a kol. Enzymatická transformace nepotravinářské biomasy na škrob. Proč. Natl Acad. Sci. USA 110 , 7182–7187 (2013).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Kim, J., Jia, H. & Wang, P. Výzvy v biokatalýze pro enzymatické biopalivové články. Biotechnol. Adv. 24 , 296-308 (2006).
Článek
CAS
Google Scholar
Walcarius, A., Minteer, S., Wang, J., Lin, Y. & Merkoci, A. Nanomateriály pro biofunkcionalizované elektrody: nedávné trendy. J. Mater. Chem. B 1 , 4878-4908 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Willner, B., Katz, E. & Willner, I. Elektrické kontaktování redoxních proteinů nanotechnologickými prostředky. Curr. Opin. Biotechnol. 17 , 589-596 (2006).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhao, X., Jia, H., Kim, J. & Wang, P. Kinetická omezení bioelektrochemické elektrody využívající glukózooxidázu připojenou k uhlíkovým nanotrubičkám pro biopalivové články. Biotechnol. Bioeng. 104 , 1068-1074 (2009).
Článek
CAS
Google Scholar
Johnston, W., Cooney, MJ, Liaw, BY, Sapra, R. & Adams, MWW Návrh a charakterizace elektrod redoxních enzymů: nové pohledy na zavedené techniky s aplikací na extrémofilní hydrogenázu. Enzym Microb. Technol. 36 , 540-549 (2005).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhu, ZG, Sun, F., Zhang, X. & Zhang, Y.-HP Hluboká oxidace glukózy v enzymatických palivových článcích prostřednictvím syntetické enzymatické dráhy obsahující kaskádu dvou termostabilních dehydrogenáz. Biosens. Bioelektron. 36 , 110-115 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Minteer, SD, Liaw, BY & Cooney, MJ Biopalivové články na bázi enzymu. Curr. Opin. Biotechnol. 18 , 228-234 (2007).
Článek
CAS
Google Scholar
Martín del Campo, JS a kol. Výroba dihydrogenu z xylózy s vysokým výtěžkem pomocí kaskády syntetických enzymů v bezbuněčném systému. Angew. Chem. Int. Ed 52 , 4587-4590 (2013).
Článek
Google Scholar
Bujara, M., Schümperli, M., Pellaux, R., Heinemann, M. & Panke, S. Optimalizace plánu pro in vitro glykolýzu metabolickou analýzou v reálném čase. Nat. Chem. Biol. 7 , 271-277 (2011).
Článek
CAS
Google Scholar
Barbir, F. PEM Fuel Cells: Theory and Practice Academic Press (2005).
Addo, PK, Arechederra, RL & Minteer, SD Hodnocení enzymových kaskád pro biopalivové články metanol/vzduch na bázi NAD + -dependentních enzymů. Elektroanalýza 22 , 807-812 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Zaks, A. & Klibanov, AM Vliv vody na působení enzymů v organických médiích. J. Biol. Chem. 263 , 8017-8021 (1988).
CAS
PubMed
Google Scholar
Shimizu, Y. a kol. Bezbuněčná translace rekonstituovaná purifikovanými složkami. Nat. Biotechnol. 19 , 751-755 (2001).
Článek
CAS
Google Scholar
Wang, Y., Huang, W., Sathitsuksanoh, N., Zhu, Z. & Zhang, Y.-HP Biohydrogenace z cukru biomasy zprostředkovaná in vitro syntetickými enzymatickými cestami. Chem. Biol. 18 , 372-380 (2011).
Článek
Google Scholar
Ye, X. a kol. Syntetické metabolické inženýrství – nová, jednoduchá technologie pro navrhování chimérické metabolické dráhy. Microb. Cell Fact 11 , 120 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Krutsakorn, B. a kol. In vitro produkce n-butanolu z glukózy. Metab. Ing. 20 , 84-91 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Caruana, DJ & Howorka, S. Biosenzory a biopalivové články s umělými proteiny. Mol. BioSyst. 6 , 1548-1556 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Togo, M., Takamura, A., Asai, T., Kaji, H. & Nishizawa, M. Enzymový mikrofluidní biopalivový článek využívající oxidaci glukózy zprostředkovanou vitamínem K3. Electrochim. Acta 52 , 4669-4674 (2007).
Článek
CAS
Google Scholar
Chen, Z. a kol. Trojrozměrné flexibilní a vodivé propojené grafenové sítě pěstované chemickou depozicí par. Nat. Mater. 10 , 424-428 (2011).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Wu, Z.-Y., Li, C., Liang, H.-W., Chen, J.-F. & Yu, S.-H. Ultralehké, flexibilní a ohnivzdorné uhlíkové nanovlákenné aerogely z bakteriální celulózy. Angew. Chem. Int. Ed. 52 , 2925–2929 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Chen, S. a kol. Makrostruktury vrstvené vlnité elektrody podporují mikrobiální bioelektrokatalýzu. Energetické prostředí. Sci. 5 , 9769-9772 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
You, C., Myung, S. & Zhang, Y.-HP Usnadnil kanálování substrátu v samostatně sestaveném trifunkčním enzymovém komplexu. Angew. Chem. Int. Ed. 51 , 8787-8790 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Ardao, I. & Zeng, A.-P. In silico hodnocení komplexního multienzymatického systému s využitím one-pot a modulárních přístupů: aplikace na vysokovýtěžnou produkci vodíku ze syntetické metabolické dráhy. Chem. Ing. Sci. 87 , 183-193 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Campbell, E., Meredith, M., Minteer, SD & Banta, S. Enzymatické biopalivové buňky využívající biomimetický kofaktor. Chem. Commun. 48 , 1898–1900 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Rollin, JA, Tam, W. & Zhang, Y. -HP Nové biotechnologické paradigma: bezbuněčné biosystémy pro biomanufacturing. Green Chem. 15 , 1708–1719 (2013).
Článek
CAS
Google Scholar
Zhang, Y. -HP, Cui, J., Lynd, LR & Kuang, LR Přechod od bobtnání celulózy k rozpouštění celulózy kyselinou o-fosforečnou: důkaz z enzymatické hydrolýzy a supramolekulární struktury. Biomacromolecules 7 , 644-648 (2006).
Článek
CAS
Google Scholar
Hong, J., Wang, Y., Ye, X. & Zhang, Y.-HP Jednoduchá proteinová purifikace prostřednictvím afinitní adsorpce na regenerované amorfní celulóze s následným samoštěpením inteinu. J. Chromatogr. A 1194 , 150-154 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Myung, S., Wang, YR & Zhang, Y.-HP Fruktóza-1,6-bisfosfatáza z hypertermofilní bakterie Thermotoga maritima : charakterizace, stabilita metabolitů a její důsledky. Proč. Biochem. 45 , 1882–1887 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Sun, FF, Zhang, XZ, Myung, S. & Zhang, Y.-HP Thermophilic Thermotoga maritima ribóza-5-fosfát izomeráza RpiB: optimalizované čištění tepelným zpracováním a základní charakterizace. Protein Expr. Purif. 82 , 302-307 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Myung, S. & Zhang, Y.-HP Nekomplexní směs čtyř kaskád enzymů: jednoduchá purifikace a synergická kostabilizace. PLoS One 8 , e61500 (2013).
Článek
CAS
ADS
Google Scholar
Wang, Y. & Zhang, Y.-HP Vysoce aktivní fosfoglukomutáza z Clostridium thermocellum : klonování, purifikace, charakterizace a zvýšená termostabilita. J. Appl. Microbiol. 108 , 39-46 (2010).
Článek
CAS
Google Scholar
Huang, SY, Zhang, Y.-HP & Zhong, JJ Termostabilní rekombinantní transaldoláza s vysokou aktivitou v širokém rozmezí pH. Appl. Microbiol. Biotechnol. 93 , 2403-2410 (2012).
Článek
CAS
Google Scholar
Myung, S., Zhang, X.-Z. & Zhang, Y.-HP Ultrastabilní fosfoglukóza izomeráza díky imobilizaci termofilního enzymu značeného modulem vázajícím celulózu na levném vysokokapacitním celulózovém adsorbentu. Biotechnol. Prog. 27 , 969-975 (2011).
Článek
CAS
Google Scholar
Chakraborty, S., Sakka, M., Kimura, T. & Sakka, K. Dva proteiny s diaforázovou aktivitou z Clostridium thermocellum a Moorella thermoacetica . Biosci. Biotechnol. Biochem. 72 , 877-879 (2008).
Článek
CAS
Google Scholar
Stáhněte si reference
Poděkování
Děkujeme za podporu od oddělení biologického inženýrství systémů Virginia Tech. Tento materiál je založen především na práci podporované National Science Foundation pod číslem grantu (IIP-1214895) PZ
Informace o autorovi
Autoři a přidružení
Oddělení inženýrství biologických systémů, Virginia Tech, 304 Seitz Hall, Blacksburg, Virginia 24061, USA,
Zhiguang Zhu, Chun You & Y.-H. Percival Zhang
Cell Free Bioinnovations Inc., 2200 Kraft Drive, Suite 1200B, Blacksburg, Virginia 24060, USA,
Zhiguang Zhu, Tsz Kin Tam, Fangfang Sun & Y.-H. Percival Zhang
Institute for Critical Technology and Applied Science (ICTAS), Virginia Tech, Blacksburg, 24061, Virginia, USA
Y. -H. Percival Zhang
Příspěvky
ZZ a TKT navrhovaly experimenty, prováděly experimenty a analyzovaly data; FS a CY poskytly klíčové enzymy; a PZ a ZZ napsali rukopis. PZ navrhl experimenty a koncipoval koncept syntetické cesty pro EFC.
Odpovídající autor
Korespondence Y. -H. Percival Zhang .
Etická prohlášení
Konkurenční zájmy
PZ a ZZ jsou vynálezci enzymatických drah přeměňujících cukry na elektřinu, na kterou se vztahuje prozatímní patentová přihláška (US 61/831,346).
Doplňující informace
Doplňkové informace
Doplňkové obrázky 1-8, Doplňkové tabulky 1-3 a Doplňkové metody (PDF 821 kb)
Práva a oprávnění
Dotisky a oprávnění
O tomto článku
Citujte tento článek
Zhu, Z., Kin Tam, T., Sun, F. a kol. Cukrová biobaterie s vysokou energetickou hustotou založená na syntetické enzymatické dráze. Nat Commun 5 , 3026 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms4026
Stáhnout citaci
Přijato9. července 2013
Přijato26. listopadu 2013
Publikováno21. ledna 2014
DOIhttps://doi.org/10.1038/ncomms4026
Sdílejte tento článek
Každý, s kým sdílíte následující odkaz, bude moci číst tento obsah:
Poskytuje iniciativa Springer Nature SharedIt pro sdílení obsahu
Předměty
Bioenergetika
Zelená chemie
Metabolické dráhy
Molekulární inženýrství
Tento článek je citován
Bio-inspirovaná zelená energie: Termoproudový generátor
Prisa HosseinnezhadSohrab BehniaSamira Fatizadeh
Transakce s elektrickými a elektronickými materiály (2021)
Vytvoření diaforázy prostřednictvím řízené evoluce pro aplikaci enzymatických biopalivových článků
Chunling MaMeixia LiuZhiguang Zhu
Bioresources and Bioprocessing (2020)
Charakterizace hypertermofilní fosfatázy z Archaeoglobus fulgidus a její aplikace v in vitro syntetickém enzymatickém biosystému
Wei WangDongdong MengChun You
Bioresources and Bioprocessing (2019)
Syntetická biologie je bez buněk
Aidan TinafarKatariina JaenesKeith Pardee
BMC Biology (2019)
Urychlení fosforolýzy cellodextrinu pro výrobu bioelektřiny z celulózové biomasy integrací syntetického dvouenzymového komplexu do in vitro syntetického enzymatického biosystému
Dongdong MengRanran WuChun You
Biotechnology for Biofuels (2019)
Komentáře
Odesláním komentáře souhlasíte s tím, že se budete řídit našimi Podmínkami a Pokyny pro komunitu . Pokud najdete něco urážlivého nebo co není v souladu s našimi podmínkami nebo pokyny, označte to jako nevhodné.
3x2000VA-VMP-par, NiCd 24V, 22x210-320Wp, 2x85A-VMPPT
-
JiříK
- Příspěvky: 1021
- Registrován: pon bře 21, 2011 6:29 pm
- Bydliště: 345m n.m. v Chřibech
Re: Elektřina z cukru
Tys to celé přečetl? 
Pokud mě uvidíte tančit a nehraje hudba, vypněte, prosím, hlavní jistič...
-
gupa
- Příspěvky: 2192
- Registrován: sob pro 29, 2012 10:22 pm
- Lokalita: pod Brnem
- Systémové napětí: 24V
Re: Elektřina z cukru
Yeah, kdybych napsal jen pro přenosnou elektroniku, 85x lepší kapacita než lion, běžné enzymy, tak by to vypadalo jako na apríla. Protože podle jednoduchých počtů z tuny cukru mít 8,5MWh zní opravdu dobře. Jenže ikdyž je to tak staré, prý se natom pracuje hodně. O převodu etylalkohol nebo metan - elektřina vím dávno ale přímo z cukru je pecka. Cukr je po plynu a ropě jedna z nejvíce standardizovaných věcí z kterých se vyrábí hodně věcí. (ještě z moře, uhlí bla bla bla) Nedávno jsem se dozvěděl že parafín lze převést a prý je to běžný na proteiny které lze zkrmovat dobytku. Prostě je hodně věcí, které se díky populismu a debilním médiím co jsou v podstatě skrytou reklamou z 98% běžnýmu smrtelníku nedostupný. A když tak je to tak blbě podaný, že tomu ani ten co to psal nevěří.
3x2000VA-VMP-par, NiCd 24V, 22x210-320Wp, 2x85A-VMPPT
-
- Podobná témata
- Odpovědi
- Zobrazení
- Poslední příspěvek
-
- 1 Odpovědi
- 257 Zobrazení
-
Poslední příspěvek od antoni_sk
-
- 5 Odpovědi
- 1579 Zobrazení
-
Poslední příspěvek od dracekvo
-
- 0 Odpovědi
- 584 Zobrazení
-
Poslední příspěvek od rottenkiwi
-
- 46 Odpovědi
- 4119 Zobrazení
-
Poslední příspěvek od gupa
-
-
ceník čez od 1.1.2022 elektřina pro soláry
od misa84 » » v Hybridní elektrárny
ceník čez od 1.1.2022 elektřina pro soláry
- 21 Odpovědi
- 7817 Zobrazení
-
Poslední příspěvek od PetrDubi
-