Николай Дятлов: Вирусы вместо газа

Ископаемое топливо рано или поздно подойдёт к концу. Человечество серьезно задумывается о возможностях перехода на альтернативные источники энергии — ветряную, энергию приливов и солнца. Многие из них уже весьма активно используются — например, ветряные электростанции производят до 20% энергии, потребляемой в Дании, другие менее популярны. Есть и ещё один вид энергетики, переходный между возобновляемой и невозобновляемой — это биоэнергетика.

Биоэтанол и биодизель, производящиеся из биомассы или сахарного тростника давно и успешно применяются по всему миру, хотя их использование составляет всего 3% от потребляемого автотранспортом топлива. Есть, однако, и менее очевидные источники биологической энергии.
Учёные Лаборатории Беркли при Министерстве Энергетики США разработали способ получать электроэнергию с помощью вирусов. Как объясняет журнал Nature Nanotechnology, некоторые вирусы способны преобразовывать механическую энергию в электрическую с помощью пьезоэлектрического эффекта. В качестве опытного образца учёные представили небольшой жидкокристаллический дисплей, получающий энергию от надавливания на покрытый пленкой из вируса электрод.

Разумеется, пьезоэлектрический эффект — далеко не новость. Он давно используется во множестве сложных приборов, начиная от сканирующих микроскопов и заканчивая звуковыми системами и зажигалками. Однако, большая часть пьезоэлектриков в той или иной степени токсична, и производство их сложно.

Использованный же учёными вирус — названный M13 — абсолютно безопасен для человека. Он питается бактериями и очень быстро размножается. Кроме того, благодаря своей вытянутой форме, вирус легко образует равномерную плёнку, подобно тому, как складываются спички в коробке. Это очень полезное для нанотехнологий свойство: в то время как крупные компании вроде IBM «тренируются» в манипуляциях на атомном уровне, биотехнологии достигают похожего эффекта почти без помощи человека.

Разумеется, пьезоэлектрический эффект вируса был усилен искусственными манипуляциями с геномом. Учёные обратили внимание, что спиральный белок, из которого состоит капсид, или оболочка вируса, скручивается, когда пленку вируса помещают в электрическое поле. С помощью генной инженерии они вывели новую ветвь вируса, у которой на одном из концов оболочки находятся отрицательно заряженные аминокислоты, благодаря этому увеличивается напряжение вируса. Наибольший пьезоэффект достигается при создании элемента из двадцати вирусных плёнок.
Полученные плёнки из генно-модифицированного вируса помещаются между двумя золотыми пластинками, и когда на них давят, вирус производит ток 6 наноампер при напряжении 400 милливольт — достаточно, чтобы зажечь несколько делений на экране калькулятора.

Разумеется, требуется еще немало опытов, прежде чем из этой технологии можно будет извлечь реальную пользу. Тем не менее, преимущества очевидны. Биотехнологии позволяют выращивать вирусы в больших количествах, так как они множатся чрезвычайно быстро и питаются бактериями. Умение вирусов самоорганизовываться бесконечно удобно для применения в микроэлектронике. Дальнейшие генетические манипуляции, теоретически, могут позволить создать вирус с еще большим электрическим потенциалом. Пьезоэлектрический эффект позволит производить электроэнергию, используя вибрацию и давление от повседневных действий — открывания двери, подъему по лестнице. Пока только не очень понятно, будут ли такие биогенераторы рентабельными, и, конечно, стоит ждать беспокойства общественности в связи с генетическими манипуляциями над вирусами.

Ученые университета Лос-Анджелеса решили подняться чуть выше по эволюционной лестнице и заняться исследованиями бактерий. Опять же с помощью генной инженерии они вывели специальный вид бактерий, который перерабатывает оксид углерода — так называемый парниковый газ — в бутиловый спирт, который можно использовать в качестве топлива для автомобилей. Система разрабатывалась как некий аналог фотосинтеза. Фотосинтез — это превращение солнечной энергии в химическую и хранение её в виде сахара. У него есть два аспекта: превращение световой энергии в химическую и превращение оксида углерода в сахар. Полученная учеными бактерия выполняет как раз вторую функцию фотосинтеза. Фактически, это электро-биореактор, который, используя электричество, углекислый газ, и муравьиную кислоту, производит бутиловый спирт. Фактически, это своего рода жидкая альтернатива батареям. С учетом того, что электроавтомобили сейчас встречаются гораздо реже, чем автомобили на бутаноле, учёным представляется разумным конвертировать электрическую энергию в высокоэффективное жидкое топливо. В идеальном случае оксид углерода, выделяющийся при его сжигании будет вновь собираться и проходить реакцию.

Главная сложность, о которой почему-то умалчивают авторы проекта — это сбор CO2 . К сожалению, содержание оксида углерода в атмосфере составляет меньше четырёх сотых процента. Даже если собирать углекислый газ непосредственно на трубах заводов, его концентрация не достигнет больше 10%.

Животный мир также охвачен попытками приспособить его к нуждам производства энергии. В университете Кларксона в США учёные подключили улитку к биобатарее. Благодаря процессам окисления глюкозы в организме улитки, ученые смогли получить 7.45 микроватт энергии. При этом, улитки продолжают жить, ползать, и питаться.

Разумеется, речь не идёт о электростанциях, вырабатывающих электричество за счёт животных. Зато такие разработки могут быть использованы, например, в создании кардиостимуляторов, работающих за счёт метаболизма их хозяина — без необходимости в батареях.

К сожалению, альтернативные биотехнологии пока недостаточно развиты, чтобы составить существенную конкуренцию биотопливу (которое, в свою очередь, пока не конкурент нефтепродуктам). Однако развитие генной инженерии, опыты по выращиванию тканей в невесомости, развитие технологий биобатарей, а так же связанные с этим проекты по переработке отходов в биотопливо — метан и бутан — определенно могут сыграть свою роль в развитии экологических технологий, если и не сами по себе, то как минимум подогревая интерес к этой важной сфере.