明星生物电池团队跨界联手Biotech公司，借力DNA解决低容量痛点

在低碳循环经济已经成为全球共识的大背景下，生物基产业成为最受关注的方向之一。

当前，无污染的自然新能源正在发挥巨大的作用。但是，新能源的产生通常不是稳定持续的过程，因此，研制大容量的存储电池是人类社会摆脱对化石燃料能源依赖的关键。

基于该需要，使用合成生物学创新的生物燃料电池将协助人类解决这一难题。

生物电池 是一种按照燃料电池的原理，利用生物质能，依靠电极上的生物催化反应，将化学燃料和氧化剂转化为电能，从而加以利用的装置。

大多数生物电池都试图模仿自然界的能量捕获级联，例如将葡萄糖、乳酸或乙醇等转化为尽可能多的电子，这些电子可以通过酶促和催化反应从破坏的双键中被释放出来。迄今为止 ，大多数生物电池模型的反应效率低且容量也低。

但是现在，来自英国的生物技术公司 Touchlight Genetics 与犹他大学的 Minteer 研究小组，正在试图通过使用 DNA 制造的生物电池来改变这一现状。 

这场跨界、跨大西洋的合作纯属巧合。Touchlight 正在探索生物制药以外的 DNA 应用，而 Minteer 和她的团队需要大量的 DNA 来扩大其研究规模并推动其走向商业化。

为了提供大量高密度 DNA，Touchlight 开发了新的 DNA 工艺以提高产量。接着，Minteer 和她的团队使用 DNA 来制造混合了酶和其他有机催化剂的水凝胶。

研发大容量的 DNA 生物电池

生物电池的性能通常取决于 三个关键因素：

首先，级联反应的不同步骤之间必须实现良好、迅速的反应效率，一种酶的副产物能够被有效地传递到反应链中的下一步酶，才能实现快速放电；

其次，固定化这些酶对于保证电池的长期存储稳定性也很关键，因为各种酶类往往会迅速反应消耗；

最后，电池内部支架结构的导电性与其结构特点至关重要。一旦电池阳极释放出电子，它们需要被迅速传递，并通过电池阴极进入电子设备。

Minteer 研究小组负责人 Shelley Minteer 早在 2007 年就发明了使用糖作燃料的电池，她此前一直致力于寻找可以固定大量蛋白质，并防止其变性的材料。

“ 我们可以用聚合物来固定一些酶，但是数量不够多。而 DNA 可以设计出既能实现大容量装载，同时具有生物相容性的材料。 ” 在研究了各种纳米材料和用于固定酶的聚合物之后，Minteer 和团队得出 DNA 策略。

图 | Shelley Minteer（来源：犹他大学）

DNA 水凝胶既具备水凝胶的骨架功能，也能够充分利用 DNA 良好的生物相容性。 它足够牢固，可以用于固定酶和液体，从而实现小分子和电子的传递。

并且，DNA 遵循碱基互补配对原则， 可以根据预期目标设计并组装成各种形状的 DNA 纳米结构。 其高度有序的结构具备良好的贴合能力，能够完全紧贴电极，缩短电子通过路径，提高电池的充电和放电速率。

图 | Minteer 的团队正在通过诱变提高草酸脱羧酶的电化学性能。这是目前级联的限速步骤（来源：论文）

为了使级联反应更高效，Minteer 还设计并使用 DNA 搭载了一种 混合双催化系统 ，该体系除了可以催化主要反应外，还可以在多个分解代谢步骤中起到催化作用。

大多数级联反应约为 13 步左右，通常会使用 13 种不同的酶。而 Shelley 通过混合双催化系统， 最终形成使用三种酶和一种有机催化剂的 4 步串联反应。通过流程优化可以快速、高效地将电池阳极中的乳酸分子完全氧化，并收集到燃料分子中的最大电子量 12e-，而此前在未经优化的生物电池中仅能收集到 2e - 电子量。

Shelley Minteer 在 2021 年发布了稳定性报告。在实验室中对研发的生物电池进行定期存储实验， 60 天内能够保持 90.3% 的电化学性能。 这就意味着生物电池可能实现长期存储，解决当今生物电池面临的生命周期问题。

除了效率优势外，基于 DNA 的生物电池还具有比传统燃料电池和锂离子电池更多的环保优势。

它由 DNA、酶、乳酸、蛋白质和水组成，毒性小、危险性低。而且如果电池外壳由可生物降解的材料制成，则基于 DNA 的生物电池具有生物可降解性。另外可以通过继续向电池泵送酶辅因子再生酶，从而实现循环利用的潜力。

展望未来

Touchlight 的副总裁 Sarah Milsom 介绍， 生物电池最令人兴奋的潜力是有可能实现脱水并长期保存。 尽管该产品目前电流密度相对较低，但能够实现大量电力存储，而且几乎没有重量，可以在需要时用淡水或盐水重新配制。这对于军事战场或作为灾区的临时能源非常有用。

生物电池还可以用作更多便携式设备（例如智能手机和可穿戴设备）的能源。Minteer 介绍，在电极表面上加载大量蛋白质的电池概念已经在健身传感器、葡萄糖传感器等各种生物传感器上进行应用式研究，通过在电池中搭载更多的酶能够提高传导敏感性，从而使设备更加准确。

图 | 加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种可以监测血糖的手机壳（来源：UCSD）

目前， 基于 DNA 的生物电池项目仍处于概念验证阶段，从原型、测试到生产和采用，可能需要 5 到 10 年的时间。

下一步，研究小组将在阴极采取与阳极相同的方法以提高反应效率。他们还将在锌指结构域（DNA 结合模块）上进行实验，该模块将允许团队沿着 DNA 顺序排列酶，以便它们在正确的位置结合，从而可以检测效率是否提高。

最重要的是，该团队将致力于使基于 DNA 的生物电池同时实现高电流和高能量密度。

Minteer 说：“我们希望未来的生物电池不要为了获得高电流密度而舍弃能量密度，或者为了高能量密度而舍弃电流密度。我们想证明未来的产品能够兼顾这两点。”

编译丨宋哲璇

参考资料：

• https://synbiobeta.com/living-power-this-bio-battery-is-harnessing-the-power-of-dna/
• Three-Dimensional Glucose/Oxygen Biofuel Cells Based on Enzymes Embedded in Tetrabutylammonium Modified Nafion, Yuchen Hui , Xiaoyan Ma , Rong Cai , Shelley D. Minteer, J. Electrochem. En. Conv. Stor. Nov 2021, 18 (4): 041004.
• Unveiling complete lactate oxidation through a hybrid catalytic cascade, Jefferson Honorio Franco, Matteo Grattieri, Adalgisa R.de Andrade, Shelley D. Minteer, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138044.

-End-

---

【往期】

---

「生辉读者交流群」 来了！

最新资讯、优质资源、观点碰撞

当然优先输送给生辉的 「铁杆粉丝」！

首批名额不多，本周优先 前100位

长按添加 「小辉」

备注 「机构+姓名」

小辉会第一时间邀您入群

（大家都是有身份的读者，切记备注）

添加失败？直接评论区留言 「您的微信号」 亦可！