Современная наука показывает, что бактерии являются не только микроорганизмами, вызывающими заболевания, но и занимают центральное место в разработке стратегических технологических решений в области энергетики и медицины. В частности, исследования, направленные на преобразование углекислого газа в альтернативное топливо, а также на создание интеллектуальных систем доставки лекарств для борьбы с устойчивостью к антибиотикам, стали важным поворотным моментом в данной сфере.
I. Производство биотоплива без фотосинтеза: концепция электро-топлива
1. Постановка проблемы
Традиционное производство биотоплива в основном основано на процессе фотосинтеза. Солнечная энергия преобразуется растениями в химическую энергию, после чего посредством сложных этапов переработки получают топливо. Однако данный процесс не считается энергетически эффективным. Лишь небольшая часть солнечных фотонов преобразуется в энергию, запасённую в виде топлива, что приводит к значительным потерям энергии.
В связи с этим учёные начали поиск более прямых и эффективных методов.
2. Подход Лаборатории Беркли
В исследованиях, проводимых в Lawrence Berkeley National Laboratory, основное внимание уделяется почвенной бактерии Ralstonia eutropha. В естественных условиях эта бактерия использует водород в качестве источника энергии и способна преобразовывать углекислый газ (CO₂) в органические соединения.
Основная идея исследования заключается в полном отказе от фотосинтеза. Вместо этого предполагается использовать:
-
электричество, получаемое из возобновляемых источников энергии (солнечной и ветровой),
-
воду,
-
углекислый газ,
-
водород,
для непосредственного производства жидкого топлива — заменителей дизельного и авиационного топлива — посредством бактериального метаболизма.
Данный подход получил название «электро-топливо» (electrofuel).
3. Финансирование и стратегическое значение
Проект финансируется программой ARPA-E и относится к категории энергетических технологий с высоким риском, но значительным потенциалом. В рамках программы предполагается, что данная технология может быть до десяти раз более эффективной по сравнению с существующими методами производства биотоплива.
Кроме того, исследования проводятся в сотрудничестве с Joint BioEnergy Institute.
4. Технологические подходы
Исследования ведутся по двум основным направлениям:
a) Система биоэлектрохимического реактора
В двухлитровом реакторе, разработанном компанией Logos Technologies:
-
вода расщепляется на водород и кислород при помощи электродов,
-
бактерии используют водород в качестве источника энергии,
-
CO₂ преобразуется в углеводороды,
-
полученное топливо накапливается на поверхности.
b) Бактерии с автономным энергоснабжением
В альтернативном подходе на поверхность бактерий закрепляются электрокатализаторы. Эти катализаторы вырабатывают водород за счёт электрической энергии, что позволяет бактериям частично самостоятельно обеспечивать себя источником энергии.
В случае успешной реализации данной модели для производства топлива потребуются только три компонента:
-
CO₂,
-
вода,
-
электрическая энергия.
5. Потенциальные преимущества
-
Снижение потребности в сельскохозяйственных землях,
-
Минимизация использования воды и удобрений,
-
Повторное использование углекислого газа,
-
Формирование более устойчивой энергетической модели.
II. Интеллектуальная наночастичная технология против устойчивости к антибиотикам
1. Актуальность проблемы
Устойчивость к антибиотикам является одной из наиболее серьёзных проблем современной медицины. По мере того как бактерии вырабатывают устойчивость к существующим препаратам, разработка новых антибиотиков становится всё более сложной. В качестве альтернативной стратегии была предложена идея более эффективной доставки уже существующих антибиотиков.
2. Исследования MIT и Brigham and Women's Hospital
Учёные Massachusetts Institute of Technology и Brigham and Women's Hospital разработали наночастицы, способные избегать иммунной системы и направленно доставлять лекарство непосредственно в очаг инфекции.
Результаты исследования были опубликованы в журнале ACS Nano.
3. Структура и механизм действия наночастиц
Наночастицы:
-
покрыты снаружи полиэтиленгликолем (PEG),
-
содержат pH-чувствительный слой полигистидина,
-
имеют в ядре антибиотик (например, ванкомицин).
В кровотоке частицы обладают слабым отрицательным зарядом и избегают обнаружения иммунной системой. Однако в очаге инфекции среда становится более кислой, уровень pH снижается, и полигистидин приобретает протоны, придавая частицам положительный заряд. В результате наночастицы прочно связываются с отрицательно заряженной клеточной стенкой бактерий и постепенно высвобождают лекарство.
4. Преимущества
-
Локальная доставка препарата в высокой концентрации,
-
Снижение побочных эффектов,
-
Сохранение здоровой микрофлоры,
-
Повышение эффективности против устойчивых бактерий.
Наночастицы обеспечивают постепенное высвобождение лекарства в течение нескольких дней, предотвращая повторное размножение бактерий.
Общий вывод
Проводимые исследования в области энергетики и медицины демонстрируют, что бактерии могут играть ключевую роль в технологиях будущего. С одной стороны, технология электро-топлива позволяет эффективно преобразовывать углекислый газ в жидкое топливо, а с другой — интеллектуальные наночастичные системы открывают новые возможности в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.
Несмотря на то, что данные подходы находятся на лабораторной стадии, их практическое внедрение в будущем может способствовать формированию устойчивых энергетических систем и более эффективных методов лечения.