基于DNA的生物电池同时实现高电流和高能量密度

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。

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。

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。

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。”

原文标题：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

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责任编辑：haq