Внутренняя поверхность человеческого пищеварительного тракта покрыта мелкими выростами, которые носят название ворсинок. На них обитают микроскопические организмы, участвующие в расщеплении потребляемой нами еды.
Конфигурация и свойства этих выростов оказались настолько удачными, что их можно применить для выработки биологической энергии при участии бактерий, образующих споры. Профессор Сокхын «Шон» Чой, работающий на кафедре электротехники и вычислительной техники в Колледже инженерии и прикладных наук, вместе с группой исследователей обнародовал полученные данные на страницах издания Small.
Ирина Медведева
Вилли-биобатарея, изображение. Бингемтонский университет. Источник: eurekalert.org
Разработка биогальванических элементов на основе архитектуры кишечных ворсинок представляет собой не просто техническое достижение, а смену парадигмы в области биоэнергетики. Традиционные подходы к созданию микробных топливных элементов долгое время упирались в фундаментальное противоречие: чем больше площадь поверхности электрода, тем выше плотность тока, но тем сложнее обеспечить равномерную доставку питательных веществ и отвод продуктов метаболизма.
Биобатарея по образцу ткани человеческого организма
Чой считается одним из первопроходцев в сфере папертроники, и его главный интерес сосредоточен на применении бумаги в роли носителя. Однако практически на всех опробованных материалах он столкнулся с одним и тем же препятствием: плоские двумерные структуры не дают нужной площади поверхности, чтобы бактерии Bacillus subtilis могли размножаться в достаточном количестве. Волокнистое строение бумаги не позволяет полноценно использовать ее в трехмерном формате, а это чревато снижением рабочих характеристик.
«В пористых структурах быстро формируется биопленка, забивающая поры, из-за чего возникало множество сложностей — от подачи питательных веществ до накопления продуктов жизнедеятельности и неравномерного разрастания самой биопленки, — пояснил Чой. — Нам требовался биоэлектрод, повторяющий свойства живой ткани: он должен был обеспечить большую площадь поверхности, короткий путь диффузии и эффективный массоперенос, сохраняя при этом механическую гибкость, способность растягиваться и возможность масштабирования».
Плоские электроды, даже обладающие высокой проводимостью, не способны поддерживать жизнедеятельность плотных бактериальных пленок на протяжении длительного времени. Ворсинчатая геометрия, заимствованная у природы, позволяет разрешить это противоречие за счет распределения микробных колоний по множеству отдельных каналов, каждый из которых имеет собственный короткий путь диффузии. Именно поэтому устройство, созданное командой Чоя, демонстрирует стабильное напряжение 0,75 вольта в течение как минимум 14 часов непрерывной подачи субстрата.
Анод биобатареи — ворсинки из эластичного полимерного гидрогеля
В ходе работы коллектив из Бингемтонского университета изготовил структуры, по форме напоминающие ворсинки, используя неактивный, но эластичный полимерный гидрогель, который широко применяется в биомедицинской практике. Неактивные бактерии были помещены внутрь ворсинок, выполняющих роль анода биобатареи.
Ключевым элементом конструкции является использование неактивного, но эластичного полимерного гидрогеля. Этот материал, широко применяемый в биомедицинской практике для создания контактных линз, каркасов для тканевой инженерии и систем доставки лекарств, обеспечивает механическую гибкость и биосовместимость.
Внутри ворсинок размещаются бактерии Bacillus subtilis, которые в данном случае выполняют роль анодных микроорганизмов.
Важно подчеркнуть, что речь идет не о генетически модифицированных штаммах с искусственно усиленным метаболизмом, а о естественных спорообразующих бактериях, способных выживать в экстремальных условиях и восстанавливать активность при попадании в благоприятную среду.
Способность Bacillus subtilis образовывать споры делает систему устойчивой к перепадам температуры, высыханию и длительному хранению, что критически важно для практического применения в полевых условиях или в инфраструктурных объектах, где регулярное обслуживание затруднено.
Чтобы получить небольшое количество электричества, ворсинки отделили от видоизмененного катода, сделанного из углеродной ткани, при помощи ионообменной мембраны. Такая конфигурация обеспечивает пространственное разделение окислительных и восстановительных реакций, предотвращая смешивание потоков и позволяя собирать электрический ток с минимальными потерями.
Углеродная ткань выбрана не случайно: она обладает высокой электропроводностью, химической инертностью и развитой поверхностью, что способствует эффективному восстановлению кислорода. В перспективе именно катодная часть системы может быть оптимизирована для работы с атмосферным кислородом без принудительной аэрации, что еще больше упростит конструкцию и снизит энергозатраты на собственные нужды устройства.
Когда питательная среда поступала непрерывно, устройство с ворсинками выдавало стабильное напряжение порядка 0,75 вольта на протяжении как минимум 14 часов. Этого хватает, чтобы зажечь маленькие светодиоды или обеспечить работу микродатчиков. В перспективе одно из возможных применений — самостоятельная очистка сточных вод.
Перспективы применения биобатарей
Одним из наиболее перспективных направлений применения биобатарей, вдохновленных ворсинками, является очистка сточных вод. Современные очистные сооружения потребляют значительное количество электроэнергии, при этом органические загрязнители, содержащиеся в wastewater, обладают высоким энергетическим потенциалом.
Биогальванический элемент, встроенный непосредственно в канализационную трубу, способен одновременно утилизировать органику и вырабатывать электричество для питания датчиков мониторинга, клапанов или систем связи.
Чой отмечает, что устройство без труда встраивается в окружающую среду и может повторять форму и габариты трубопровода. Это означает, что модернизация существующей инфраструктуры не потребует создания отдельных реакторов или насосных станций — достаточно заменить участок трубы на биогальванический модуль.
«Биобатарею можно разместить прямо в канализационной трубе, поскольку она без труда встраивается в окружающую среду, — отметил Чой. — Она способна использовать отходы, содержащиеся в воде, в качестве питательного субстрата и производить энергию, а также в точности повторять форму и габариты трубопровода».
Дальнейшее развитие технологии
Команда из Бингемтона намерена доработать технологию производства биобатарей, вдохновленных кишечными ворсинками. Кроме того, исследователи хотели бы приблизиться к пониманию устройства нашего организма: бактерии в пищеварительном тракте располагаются преимущественно у поверхности, в слизистом слое, который покрывает ворсинки.
«В данной работе мы предприняли попытку воспроизвести архитектуру ворсинок, — подытожил Чой. — Чтобы по-настоящему разобраться, каким образом эти бактериальные клетки сохраняют жизнеспособность, нам необходимо воссоздать их реальный физиологический и химический состав».
Следующий этап работы команды из Бингемтона связан с разработкой одноэтапного масштабируемого метода печати. Если исследователям удастся напечатать ворсинчатые структуры с интегрированными бактериальными спорами и электродами за один проход, себестоимость производства таких элементов снизится на порядки.
Это откроет путь к массовому производству биобатарей для портативной электроники, медицинских имплантатов и автономных сенсорных сетей. Кроме того, исследователи стремятся приблизиться к пониманию того, как бактерии в пищеварительном тракте сохраняют жизнеспособность в слизистом слое, покрывающем ворсинки. Воссоздание реального физиологического и химического состава этого слоя позволит не только улучшить характеристики биобатарей, но и глубже понять механизмы симбиоза между человеком и его микробиотой.
В более широком контексте работа Чоя демонстрирует продуктивность подхода, при котором инженерные решения заимствуются у биологических систем на уровне архитектуры, а не отдельных молекул. Ворсинки тонкого кишечника сформировались в ходе эволюции как оптимальный компромисс между площадью поверхности, диффузионным сопротивлением и механической устойчивостью.
Копируя эту геометрию, исследователи получают возможность создавать устройства, которые не просто имитируют внешнюю форму, но и воспроизводят функциональные принципы живой ткани. Это отличает биомиметику нового поколения от поверхностного копирования природных объектов и открывает путь к созданию технологий, органично встроенных в биосферу.
