סוללות ננוסקופיות מורכבות מוירוסים מהונדסים גנטית

וירוסים מהונדסים גנטית מרכיבים עצמית ברמת הננו סוללות באנרגיה ירוקה

בינואר מגזין דיסקובר הפופולארי יצא בכותרת המשנה “מהנדסים הופכים את הוירוסים למהנדסים קטנים”. ולמה הכוונה? היסטורית תעשית המוליכים למחצה זינקה ואילו תעשית הבטריות פיגרה מאחור. והנה החל מ-2006 ארעה פריצת דרך הנדסית בתעשית הסוללות, שדווחה באוגוסט 2008 על ידי ה-MIT. קבוצה של מהנדסים מה-MIT רתמה וירוסים כדי ליצור רכיבים לסוג סוללות חדש, בגודל מיקרון, כלומר של מחצית התא האנושי והרבה יותר יעילות מאשר הבטריות הרגילות מסוג ה-AAA. לראשונה החוקרים הראו שהם מסוגלים להנדס וירוסים כדי לבנות את הקצוות החיובי והשלילי הטעונים של סוללת הליתיום איון. הוירוסים הונדסו גנטית בצורה כזו שחומרים מוליכים חשמלית כמו קובלט חמצני יתחברו לפני משטחם. תוך תהליך הסלקציה וההנדסה הגנטיים הגענו לוירוסים רזים וארוכים, שפני משטחם גדול יחסית לנפחם. ולכן הם מסוגלים לארוז מטען רב אל תוך חלל זעיר. המקרוב המצופה במתכת יכול כך לשמש כדי לבנות רכיבים אוגרי אנרגיה בעלי יכולת הספק הרבה יותר גבוהה מאשר הסוללות המסורתיות. ארעה פריצת דרך הנדסית וכמו שכתבו “הביו-הנדסה שברה את צוואר הבקבוק”, כאשר החוקרים הבינו את הפוטנציאל שגלום בוירוסים הלא מזיקים לבני האדם. ברוכים הבאים לעולם חדש ולטכנולוגיה ירוקה.

 

הנדסה גנטית משולבת עם ננוטכנולוגיה: בתחילת 2006 חוקרים מהמכון הטכנולוגי ה-MIT בראשות הפרופסורים פאולה ט. המונד, אנג’לה מ. בלשר ו-יט-מינג שיאנג היו הראשונים שהנדסו גנטית וירוסים. הם שילבו בין הננוטכנולוגיה להנדסה הגנטית בתקוה לבנות סוללות שיכולות לתפעל מכוניות היברידיות או טלפונים סלולאריים ומכשור רפואי עתידי. הם בנו את חומר האנודה. עתה בלשר השלימה את הסוללות עם בנית חומר הקתודה יחד עם שני חוקרים נוספים בשם גרברנד סדר ומיקל סטרנו. האוניברסיטה הודיעה אתמול על כי הוירוסים הם ידידותיים לסביבה, לא מזיקים לבני אדם, ואומנם פגיעים לבקטריות. וירוסים אלה מרכיבים את הקצוות החיוביים והשליליים הטעונים של סוללות ליתיום איון – דוגמת אלה שמוצאים במחשבים ניידים. הסוללות לפי חוקרי ה-MIT, הן בעלות אותה קיבולת אנרגיה ויכולת ההספק כמו הסוללות הנטענות החדישות ביותר שחושבים עליהן היום. בבדיקות, הסוללות יכלו להטען ולהתפרק לפחות 100 פעמים ללא שאבדו מכוחן. אב- טיפוס של הסוללות החדשות אפילו הובא על ידי נשיאת ה-MIT סוזן הוקפילד לבית הלבן אל הנשיא ברק אובמה כדי להדגים בפניו טכנולוגיה של אנרגיה נקייה.

מהו וירוס?

כדי לענות על השאלה עדיף אולי לשאול שאלה מקדימה, מה ההבדל בין וירוסים לבקטריות? בקטריות הן חיות “קטנות” מיקרוסקופיות חד-תאיות שמסוגלות לעכל, לגדול ולהכפיל את עצמן. הבקטריות גורמות אצלנו למשל להרבה מאוד דלקות, כמו דלקות אוזניים וגרון, וגם לדלקות רציניות כמו דלקת ריאות. אבל בגלל שהן חיות, ניתן להרוג אותן בעזרת אנטיביוטיקה קונבנציונאלית.

זאת בעוד, שלעומת הבקטריה, הוירוסים מורכבים מחומר גנטי – הדנ”א – שמוקף סביבו במעטפת או בציפוי שעשוי מחלבון. הוירוסים לא יכולים בעצמם לגדול או להכפיל את עצמם. הוירוסים צריכים להזריק את עצמם אל תוך תא חי, שם הדנ”א של הוירוס יכול להדריך בהוראות את התא להשתמש במיכון של התא כדי לבנות עוד ועוד וירוסים.

לבסוף מה קורה? התא מתמלא בוירוסים ומתפרץ, כאשר הוא משחרר וירוסים שיכולים לזהם תאים אחרים. בגלל שהוירוסים אינם באמת “חיים”, לא ניתן גם “להורגם” בעזרת אנטיביוטיקה קונבנציונאלית. אבל למרבה המזל, מרבית הזיהומים הויראליים הם מינוריים, וניתן להשמיט וירוסים על ידי מערכת החיסון של הגוף.

דוגמא לוירוסים נפוצים שתוקפים אותנו הם: התקררות, שפעת ווירוס מערכת העיכול. אולם כמה וירוסים, כמו הרפס, כידוע, יכולים להיות מאוד עקשניים. ווירוס ה-HIV הוא צרה צרורה…

 

מובילת קבוצת המחקר מה-MIT אנג’לה בלשר

בלשר מחזיקה את הסוללה הבנויה מוירוס – הדסקה בצבע כסף שמשמשת כדי לספק כוח ל-LED – דיודה פולטת אור

MIT news

Virus-built battery display

אב הטיפוס ארוז בצורת בטרית תא מטבע, אבל הטכנולוגיה מאפשרת את ההרכבה של סוללות קלות, גמישות ונוחות שמקבלות את צורת המיכל שלהן

Gerbrand Ceder

גרברנד סדר

Michael Strano

מיקל סטרנו

בסוללת ליתיום איון מסורתית, יוני הליתיום זורמים בין האנודה שהיא טעונה שלילית – בדרך כלל גרפיט – לעבר הקתודה שהיא טעונה חיובית – בדרך כלל תחמוצת הקובלט או ליתיום ברזל פוספט. קראו כאן על סוללת הליתיום איון החדשה של HP שתחזיק עכשיו שלוש שנים…

המפתח לרעיון ולפריצת הדרך ארע כאשר הצוות הבין שטכנולוגית הסוללה הוא בוירוס המהונדס גנטיתM13 bacteriophage – וירוס פרזיטי שתוקף בקטריה ומתרבה בתוכה. הגנים של הוירוס הזה שונו כדי שהוא לא יוכל לתקוף בני אדם וגם כדי שהוא יצור חלבונים שאוספים את מולקולות תחמוצת הקובלט, ויצרו חוטים דקיקים עבור האנודה.

אחר כך, הקבוצה יצרה שכבות של סוללות ברמת הננו – בגודל של חמישה מיקרונים – מחומרים שעברו הרכבה עצמית על ידי וירוסים. הוירוסים למעשה בונים את חומר הסוללה. החוקרים עשו זאת על ידי יצירת מיליארדים של וריאציות רנדומאליות בוירוסים, ואחר כך תוך שימוש בעקרון הביולוגי, לפיו הוירוס שהוא הכי מתאים הוא זה ששורד, נבחרו בסלקציה אלה שיבצעו את המטרות הרצויות. 

בהתחלה אם כן, לפני שלוש שנים הקבוצה הדגימה את היכולת של ההרכבה העצמית של הוירוסים כדי ליצור שכבות סוללה גמישות מחומרי אנודה. הוירוס ציפה עצמו עם תחמוצת הקובלט וזהב כדי ליצור ננו-חוט. אולם לבנות קתודה היה זה מסובך יותר מאנודה, כי קתודה צריכה להיות מאוד מוליכה כדי להיות אלקטרודה מהירה. מרבית החומרים המועמדים לקתודות הם מאוד מבודדים ולא מוליכים.  

ועתה, בכל אופן, הקבוצה הדגימו שוירוסים שמהונדסים גנטית יכולים בהרכבה עצמית ברמת הננו ליצור חומר קתודה שתבוא יחד עם האנודה. חוטי ננו של יון ליתיום פוספט פלוס כסף אוספים ננו-צינורית פחמן בודדת בחודם כדי להגדיל את המוליכות. הוירוס החדש משתמש בשיטה דומה כדי לצפות עצמו בברזל פוספט ובכסף, ואז הוא משתמש בזיהוי מולקולארי כדי לאסוף ננו-צינוריות בקצותיהם לטרנספורט אלקטרונים יעיל יותר: האלקטרונים יכולם לנוע לאורך הננו-צינוריות מפחמן, כאשר הם מחלחלים דרך האלקטרודות אל הברזל פוספט ומעבירים אנרגיה בזמן מאוד קצר. בהתחלה הקבוצה ניסתה להנדס את החומר ללא הננו-צינוריות, אבל המוליכות שלו לא הייתה מספיק טובה. ואז הם מצאו וירוס שייצמד לננו-צינוריות באמצעות הזיהוי המולקולארי. משימה זו התבררה כמאוד מורכבת, מכיוון שרק שניים מתוך מיליארד וירוסים – כל אחד בעל קוד גנטי שונה ושעבר סלקציה על ידי העיקרון של זה שהוא המתאים ביותר הוא זה ששורד – הם אלה שלכדו ננו-צינוריות על חודם.

האלקטורנים יכולים לנוע לאורך רשתות של ננו-צינוריות פחמן כאשר הם מעבירים אנרגיה מאוד מהר. אם מוסיפים ננו-צינוריות מפחמן, זה מגדיל את המוליכות מבלי להוסיף הרבה “משקל” לסוללה.

—————-

Belcher

 

 איור: A – איור של וירוס ה- M13. משנים את החלבון pVIII – קופסא חלבונית ראשית של הוירוס – כדי לשמש כתבנית לגידול של ברזל פוספט אמורפי. או אז החלבון pIII מהונדס כדי שתהיה לו האפיניות להתחבר לננו-צינורית. איור B – יצירת קתודות של סוללות ליתיום איון בצורה גנטית בעזרת וירוסי M13 ששני הגנים שלהם עברו מניפולציה. בקצה הימני ישנו תצלום של הבטריה שמשמשת לסיפוק כול ל-LED – דיודה פולטת אור.

———————– 

החומר שהתקבל – שניתן ליצור אותו בצורה מסחרית בתמיסה – אז התייבש לכדי אבקה והוא מורכב מחמש אחוז ננו-צינוריות של פחמן. אחרי שהוירוסים המהונדסים גנטית שמשו בהרכבה עצמית ברמת הננו ליצור חומרי סוללות ליתיום איון, הסוללות שהתקבלו אז הודפסו לשכבות פלסטיק תוך שימוש בתהליכים ירוקים, וניתן להטביע אותן על מגוון משטחים.  המיקרו-סוללות, שהן בערך בגודל של מחצית השערה האנושית (חמישה מיקרונים), יכולות יום אחד לספק כוח למקורות רפואיים כמו גם ליצור מעבדות חדשות על צ’יפ. בהדגמות ניתן היה להטעין את הסוללות מאות פעמים ללא ירידה נראית בביצוע.

 

 

Published Online April 2, 2009
Science DOI: 10.1126/science.1171541

Science Express Index

Reports

Submitted on January 29, 2009
Accepted on March 25, 2009

Fabricating Genetically Engineered High-Power Lithium Ion Batteries Using Multiple Virus Genes

Yun Jung Lee 1 , Hyunjung Yi 1 , Woo-Jae Kim 2, Kisuk Kang 3, Dong Soo Yun 1, Michael S. Strano 2, Gerbrand Ceder 1, Angela M. Belcher 4*

1 Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA.
2 Department of Chemical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA.
3 Department of Materials Science and Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 335, Gwahangno, Yuseong-gu, Daejeon, Korea, 305-701.; KAIST Institute for Eco-Energy, 335, Gwahangno, Yuseong-gu, Daejeon, Korea, 305-701.
4 Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA.; Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA.

* To whom correspondence should be addressed.
Angela M. Belcher , E-mail: belcher@mit.edu
 

Advertisements

0 thoughts on “סוללות ננוסקופיות מורכבות מוירוסים מהונדסים גנטית

  1. ורק כדי לוודא שהבנתי עד הסוף – הוירוסים בסוף מתים וכמו מבנה האלמוג שנשאר קיים גם אחרי שתושביו מתו, כך מבנה הבטריה מתקיים גם אחרי שהוירוסים מתו ?

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s