Magnetické kvasinky i umělé rostliny

Biotechnologie se v živé přírodě nemusí pouze inspirovat, ale může s živými organismy i přímo pracovat. Zdaleka přitom nejde jen o genetické modifikace, rostliny odolné proti škůdcům nebo efektně svítící akvarijní rybičky.

Magnetické kvasinky i umělé rostliny


Motivace pro odvážnější projekty v oblasti biotechnologií bývá různá; může jít o potenciální využití v medicíně nebo třeba o hledání nových zdrojů energie.

Magnetické kvasinky

Vědci z Wyss Institute a Harvard Medical School dokázali, jak lze živým organismům dodat schopnost reagovat na magnetické pole.

Pár živočichů je v tomto ohledu „magnetických“ už od přírody, např. někteří motýli nebo tažní ptáci, kteří dokážou vnímat zemské magnetické pole (tedy mají v organismu cosi jako „magnet“, i když o jeho podstatě často nic nevíme). Kvasinky tuto schopnost ovšem nemají.

Profesorka biochemie Pamela Silverová byla při přípravě magnetických kvasinek motivována především praktickými důvody. Mohlo by jít o technologii, která umožní takto označené buňky oddělovat od běžných pomocí magnetického pole. Podobná metoda by měla být použitelná prakticky u všech buněk, i v rámci mnohobuněčných organismů. Jak na to? Pokud do buňky vpravíme železo, mohlo by se pohybovat účinkem magnetického pole. Kvasinka ovšem železo uzavře do zvláštních váčků, čímž tento prvek imobilizuje. Vědci proto v buňce zablokovali tvorbu proteinu, z něhož se příslušné váčky tvoří (tj. vyřadili z činnosti příslušný gen).

Magnetické buňky lze oddělovat při procesech dekontaminace znečištěného prostředí nebo je nechat interagovat s elektronikou. Tímto způsobem by se také třeba v tkáňovém inženýrství mohl usměrňovat růst buněk, jež bychom přiměli, aby vytvářely „lešení“ na míru. Možná se podaří připravit buňky, které na magnetické pole budou reagovat nejen pohybem, ale i růstem nebo změnou teploty. Magnetické buňky vpravené do organismu v rámci terapie půjde zase sledovat pomocí jaderné magnetické rezonance.

Hudba z pavoučích vláken

Profesor Shigeyoshi Osaki z japonské Nara Medical University předvedl hru na housle, jejichž struny vyrobil z pavoučího hedvábí. Struny prý mají krásný zvuk (přirozeně to ovšem vyžaduje ještě dovednost na straně houslisty).

Osaki si s pavoučími vlákny hraje už 35 let. Dosud na jejich bázi navrhl např. neprůstřelnou vestu nebo nitě určené pro chirurgické šití. Housle údajně vytvořil proto, aby možnosti technologie přiblížil nejen nadšencům, ale i běžným lidem.
Houslové struny z pavoučích vláken vyžadovaly především odstranění mezer mezi vlákny. Osaki toho docílil tak, že při tkaní změnil tvar vláken. Namísto kruhového průměru z nich udělal polygonální, což umožnilo natěstnat je blíže k sobě, a zvýšit tak pevnost materiálu.

Materiál, z něhož vznikají pavoučí sítě, technology fascinuje již dlouho. Pavouky je ovšem obtížné chovat v zajetí, vyžadují živou potravu a také se vzájemně napadají. Zajímavou (byť nikterak novou) technologií je třeba získávání pavučin z kravského či kozího mléka. Kráva je geneticky modifikována, aby syntetizovala příslušný protein fibrin, který se pak vylučuje v mléce.

Osaki získal vlákna od živých pavouků, dodalo mu je 30 samiček druhu Nephilia maculata. To je mimochodem zvlášť velký pavouk žijící v Austrálii a východní Asii; jeho pavučina prý dokáže zachytit i menšího ptáka.

Výhodou pavoučích vláken není jen jejich pevnost a pružnost, ale i trvanlivost. Funkčnost si uchovávají za vysokých teplot, nepoškodí je ani ultrafialové záření. Navíc existuje řada způsobů, jak vlastnosti pavoučího hedvábí dále upravovat, lze do něj třeba přidávat ionty kovů nebo ho kombinovat s uhlíkovými nanotrubičkami.

Živé elektrické články

Nemohly by zdrojem energie pro elektroniku být ale přímo živé bakterie? Základní energetickou surovinou živých organismů je glukóza, není tedy divu, že se objevily pokusy o bakterii využívající cukrový roztok (firma Sony). V Naval Research Laboratory (výzkumná instituce amerického námořnictva) nyní přišli s myšlenkou článků, jimž by energii dodávaly přímo živé bakterie. Uvažuje se o nasazení této technologie v kosmickém výzkumu. Jinak dosud sondy spoléhají především na fotovoltaické články nebo na jaderný pohon založený na rozpadu plutonia.

Konkrétně jde o Geobacter sulfurreducens, což je druh prosperující i v anaerobním prostředí. Energii získává tato bakterie redukcí kovů z jejich sloučenin. Používají se proto např. k vychytávání uranu z roztoků, kdy výsledkem reakce je nerozpustný kov, jenž tak z prostředí „vypadne“.

Na podobném principu lze postavit článek, který dokáže produkovat dostatek energie pro pohyb menších vozítek asi tak do hmotnosti 2?kg – marťanské rovery Spirit, Opportunity nebo Curiosity by tato technologie bohužel tedy zatím nezvládla. Relativně menší maximální výkon lze řešit pomocí kondenzátoru, takže zařízení by dokázala i poskakovat. Podobné články by se mohly uplatnit i v hlubinách oceánů.

U použití bakterií v kosmickém prostředí je třeba splnit požadavky bránící mikrobiální kontaminaci, tj. zajistit, aby se bakterie nedostaly z uzavřeného prostoru. V případě výzkumu pod mořskou hladinou mohou být zase problémem plyny vznikající při elektrochemické reakci, které mění hustotu článku. Na druhé straně s nimi lze ale i aktivně pracovat a občas se pohybovat jejich vypouštěním či změnou objemu, podobně jako např. u balónu.

Umělé rostliny

Fotosyntéza je jedním z nejdůležitějších biochemických procesů, ale nefunguje příliš efektivně. Rostliny dokážou na syntézu glukózy převést zachytávanou sluneční energii jen s asi 1% účinností.

Fotovoltaické články nebo třeba ohřev vody slunečním zářením se zase potýkají s jinými problémy; elektřinu nebo teplo (na rozdíl od glukózy) lze jen obtížně skladovat. Když k tomu připočteme, že potraviny jsou dnes drahé, namísto elektřiny bychom mohli zkusit napodobit fotosyntézu a vyrábět organické látky. Navíc se při tomto procesu lape i nenáviděný oxid uhličitý.

Tak alespoň uvažuje Richard Cogdell z univerzity v Glasgow a jeho kolegové z Biotechnology and Biological Sciences Research Council. Jejich základní ideou nejsou genetické modifikace ani šlechtění existujících rostlin, ale výroba umělého listového pletiva. Výsledkem přeměn by nemusely být jen cukry, ale třeba i alkohol či další látky použitelné jako energetická surovina.

Samotnou fixaci oxidu uhličitého zajišťuje u rostlin především komplex kolem enzymu RuBisCO. V některých rostlinách funguje efektivněji než v jiných, takže reakci by možná šlo optimalizovat tímto směrem. Navíc v syntetické biologii lze kombinovat i postupy a komponenty, které používají suchozemské rostliny, sinice, řasy, a skládat z nich „mozaiky“… Např. sinice dokážou absorbovat hodně sluneční energie, ale dále ji nevyužijí, takže by šlo vyvinout nějaké propojení, kterým by se tato energie předávala dál – ať už zde vedle sebe budou živé buňky nebo výhradně umělé chemické struktury.


Úvodní foto: © adimas - Fotolia.com




Komentáře