基于DNA的生物電池同時實現(xiàn)高電流和高能量密度

在低碳循環(huán)經(jīng)濟已經(jīng)成為全球共識的大背景下，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)的過程，因此，研制大容量的存儲電池是人類社會擺脫對化石燃料能源依賴的關(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，這些電子可以通過酶促和催化反應(yīng)從破壞的雙鍵中被釋放出來。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，來自英國的生物技術(shù)公司 Touchlight Genetics 與猶他大學(xué)的 Minteer 研究小組，正在試圖通過使用 DNA 制造的生物電池來改變這一現(xiàn)狀。

這場跨界、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 和她的團隊需要大量的 DNA 來擴大其研究規(guī)模并推動其走向商業(yè)化。

為了提供大量高密度 DNA，Touchlight 開發(fā)了新的 DNA 工藝以提高產(chǎn)量。接著，Minteer 和她的團隊使用 DNA 來制造混合了酶和其他有機催化劑的水凝膠。

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關(guān)鍵因素：

首先，級聯(lián)反應(yīng)的不同步驟之間必須實現(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，才能實現(xiàn)快速放電；

其次，固定化這些酶對于保證電池的長期存儲穩(wěn)定性也很關(guān)鍵，因為各種酶類往往會迅速反應(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)特點至關(guān)重要。一旦電池陽極釋放出電子，它們需要被迅速傳遞，并通過電池陰極進入電子設(shè)備。

Minteer 研究小組負責(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固定一些酶，但是數(shù)量不夠多。而 DNA 可以設(shè)計出既能實現(xiàn)大容量裝載，同時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 和團隊得出 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，從而實現(xiàn)小分子和電子的傳遞。

并且，DNA 遵循堿基互補配對原則，可以根據(jù)預(yù)期目標設(shè)計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，縮短電子通過路徑，提高電池的充電和放電速率。

為了使級聯(lián)反應(yīng)更高效，Minteer 還設(shè)計并使用 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，還可以在多個分解代謝步驟中起到催化作用。

大多數(shù)級聯(lián)反應(yīng)約為 13 步左右，通常會使用 13 種不同的酶。而 Shelley 通過混合雙催化系統(tǒng)， 最終形成使用三種酶和一種有機催化劑的 4 步串聯(lián)反應(yīng)。通過流程優(yōu)化可以快速、高效地將電池陽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)定性報告。在實驗室中對研發(fā)的生物電池進行定期存儲實驗，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現(xiàn)長期存儲，解決當(dāng)今生物電池面臨的生命周期問題。

除了效率優(yōu)勢外，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。

它由 DNA、酶、乳酸、蛋白質(zhì)和水組成，毒性小、危險性低。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。另外可以通過繼續(xù)向電池泵送酶輔因子再生酶，從而實現(xiàn)循環(huán)利用的潛力。

展望未來

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現(xiàn)脫水并長期保存。盡管該產(chǎn)品目前電流密度相對較低，但能夠?qū)崿F(xiàn)大量電力存儲，而且?guī)缀鯖]有重量，可以在需要時用淡水或鹽水重新配制。這對于軍事戰(zhàn)場或作為災(zāi)區(qū)的臨時能源非常有用。

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行應(yīng)用式研究，通過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)備更加準確。

目前，基于 DNA 的生物電池項目仍處于概念驗證階段，從原型、測試到生產(chǎn)和采用，可能需要 5 到 10 年的時間。

下一步，研究小組將在陰極采取與陽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）上進行實驗，該模塊將允許團隊沿著 DNA 順序排列酶，以便它們在正確的位置結(jié)合，從而可以檢測效率是否提高。

最重要的是，該團隊將致力于使基于 DNA 的生物電池同時實現(xiàn)高電流和高能量密度。

Minteer 說：“我們希望未來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。我們想證明未來的產(chǎn)品能夠兼顧這兩點。”

原文標題：明星生物電池團隊跨界聯(lián)手Biotech公司，借力DNA解決低容量痛點

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