基于DNA的生物電池同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電流和高能量密度

在低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為全球共識(shí)的大背景下，生物基產(chǎn)業(yè)成為最受關(guān)注的方向之一。

當(dāng)前，無(wú)污染的自然新能源正在發(fā)揮巨大的作用。但是，新能源的產(chǎn)生通常不是穩(wěn)定持續(xù)的過(guò)程，因此，研制大容量的存儲(chǔ)電池是人類(lèi)社會(huì)擺脫對(duì)化石燃料能源依賴(lài)的關(guān)鍵。

基于該需要，使用合成生物學(xué)創(chuàng)新的生物燃料電池將協(xié)助人類(lèi)解決這一難題。

生物電池是一種按照燃料電池的原理，利用生物質(zhì)能，依靠電極上的生物催化反應(yīng)，將化學(xué)燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化為電能，從而加以利用的裝置。

大多數(shù)生物電池都試圖模仿自然界的能量捕獲級(jí)聯(lián)，例如將葡萄糖、乳酸或乙醇等轉(zhuǎn)化為盡可能多的電子，這些電子可以通過(guò)酶促和催化反應(yīng)從破壞的雙鍵中被釋放出來(lái)。迄今為止，大多數(shù)生物電池模型的反應(yīng)效率低且容量也低。

但是現(xiàn)在，來(lái)自英國(guó)的生物技術(shù)公司 Touchlight Genetics 與猶他大學(xué)的 Minteer 研究小組，正在試圖通過(guò)使用 DNA 制造的生物電池來(lái)改變這一現(xiàn)狀。

這場(chǎng)跨界、跨大西洋的合作純屬巧合。Touchlight 正在探索生物制藥以外的 DNA 應(yīng)用，而 Minteer 和她的團(tuán)隊(duì)需要大量的 DNA 來(lái)擴(kuò)大其研究規(guī)模并推動(dòng)其走向商業(yè)化。

為了提供大量高密度 DNA，Touchlight 開(kāi)發(fā)了新的 DNA 工藝以提高產(chǎn)量。接著，Minteer 和她的團(tuán)隊(duì)使用 DNA 來(lái)制造混合了酶和其他有機(jī)催化劑的水凝膠。

研發(fā)大容量的 DNA 生物電池

生物電池的性能通常取決于三個(gè)關(guān)鍵因素：

首先，級(jí)聯(lián)反應(yīng)的不同步驟之間必須實(shí)現(xiàn)良好、迅速的反應(yīng)效率，一種酶的副產(chǎn)物能夠被有效地傳遞到反應(yīng)鏈中的下一步酶，才能實(shí)現(xiàn)快速放電；

其次，固定化這些酶對(duì)于保證電池的長(zhǎng)期存儲(chǔ)穩(wěn)定性也很關(guān)鍵，因?yàn)楦鞣N酶類(lèi)往往會(huì)迅速反應(yīng)消耗；

最后，電池內(nèi)部支架結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)至關(guān)重要。一旦電池陽(yáng)極釋放出電子，它們需要被迅速傳遞，并通過(guò)電池陰極進(jìn)入電子設(shè)備。

Minteer 研究小組負(fù)責(zé)人 Shelley Minteer 早在 2007 年就發(fā)明了使用糖作燃料的電池，她此前一直致力于尋找可以固定大量蛋白質(zhì)，并防止其變性的材料。

“我們可以用聚合物來(lái)固定一些酶，但是數(shù)量不夠多。而 DNA 可以設(shè)計(jì)出既能實(shí)現(xiàn)大容量裝載，同時(shí)具有生物相容性的材料?！?在研究了各種納米材料和用于固定酶的聚合物之后，Minteer 和團(tuán)隊(duì)得出 DNA 策略。

DNA 水凝膠既具備水凝膠的骨架功能，也能夠充分利用 DNA 良好的生物相容性。它足夠牢固，可以用于固定酶和液體，從而實(shí)現(xiàn)小分子和電子的傳遞。

并且，DNA 遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，可以根據(jù)預(yù)期目標(biāo)設(shè)計(jì)并組裝成各種形狀的 DNA 納米結(jié)構(gòu)。其高度有序的結(jié)構(gòu)具備良好的貼合能力，能夠完全緊貼電極，縮短電子通過(guò)路徑，提高電池的充電和放電速率。

為了使級(jí)聯(lián)反應(yīng)更高效，Minteer 還設(shè)計(jì)并使用 DNA 搭載了一種混合雙催化系統(tǒng)，該體系除了可以催化主要反應(yīng)外，還可以在多個(gè)分解代謝步驟中起到催化作用。

大多數(shù)級(jí)聯(lián)反應(yīng)約為 13 步左右，通常會(huì)使用 13 種不同的酶。而 Shelley 通過(guò)混合雙催化系統(tǒng)， 最終形成使用三種酶和一種有機(jī)催化劑的 4 步串聯(lián)反應(yīng)。通過(guò)流程優(yōu)化可以快速、高效地將電池陽(yáng)極中的乳酸分子完全氧化，并收集到燃料分子中的最大電子量 12e-，而此前在未經(jīng)優(yōu)化的生物電池中僅能收集到 2e - 電子量。

Shelley Minteer 在 2021 年發(fā)布了穩(wěn)定性報(bào)告。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)研發(fā)的生物電池進(jìn)行定期存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，60 天內(nèi)能夠保持 90.3% 的電化學(xué)性能。這就意味著生物電池可能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，解決當(dāng)今生物電池面臨的生命周期問(wèn)題。

除了效率優(yōu)勢(shì)外，基于 DNA 的生物電池還具有比傳統(tǒng)燃料電池和鋰離子電池更多的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

它由 DNA、酶、乳酸、蛋白質(zhì)和水組成，毒性小、危險(xiǎn)性低。而且如果電池外殼由可生物降解的材料制成，則基于 DNA 的生物電池具有生物可降解性。另外可以通過(guò)繼續(xù)向電池泵送酶輔因子再生酶，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的潛力。

展望未來(lái)

Touchlight 的副總裁 Sarah Milsom 介紹，生物電池最令人興奮的潛力是有可能實(shí)現(xiàn)脫水并長(zhǎng)期保存。盡管該產(chǎn)品目前電流密度相對(duì)較低，但能夠?qū)崿F(xiàn)大量電力存儲(chǔ)，而且?guī)缀鯖](méi)有重量，可以在需要時(shí)用淡水或鹽水重新配制。這對(duì)于軍事戰(zhàn)場(chǎng)或作為災(zāi)區(qū)的臨時(shí)能源非常有用。

生物電池還可以用作更多便攜式設(shè)備（例如智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備）的能源。Minteer 介紹，在電極表面上加載大量蛋白質(zhì)的電池概念已經(jīng)在健身傳感器、葡萄糖傳感器等各種生物傳感器上進(jìn)行應(yīng)用式研究，通過(guò)在電池中搭載更多的酶能夠提高傳導(dǎo)敏感性，從而使設(shè)備更加準(zhǔn)確。

目前，基于 DNA 的生物電池項(xiàng)目仍處于概念驗(yàn)證階段，從原型、測(cè)試到生產(chǎn)和采用，可能需要 5 到 10 年的時(shí)間。

下一步，研究小組將在陰極采取與陽(yáng)極相同的方法以提高反應(yīng)效率。他們還將在鋅指結(jié)構(gòu)域（DNA 結(jié)合模塊）上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該模塊將允許團(tuán)隊(duì)沿著 DNA 順序排列酶，以便它們?cè)谡_的位置結(jié)合，從而可以檢測(cè)效率是否提高。

最重要的是，該團(tuán)隊(duì)將致力于使基于 DNA 的生物電池同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電流和高能量密度。

Minteer 說(shuō)：“我們希望未來(lái)的生物電池不要為了獲得高電流密度而舍棄能量密度，或者為了高能量密度而舍棄電流密度。我們想證明未來(lái)的產(chǎn)品能夠兼顧這兩點(diǎn)?！?/p>

原文標(biāo)題：明星生物電池團(tuán)隊(duì)跨界聯(lián)手Biotech公司，借力DNA解決低容量痛點(diǎn)

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