研究人员发现，密集排列的DNA可以稳定生物性电池所需的酶。
Rina戴安Caballar太阳能和风能在为世界提供能源方面发挥着更大的作用。但是，为了解决可再生能源的自然波动问题，需要进行大规模的存储:太阳升起或刮风时，发电量会过剩，而在夜间或无风日，供应不足。高容量电池是摆脱对化石燃料依赖的关键。在2017年,10千兆瓦的电池储能已经在世界范围内部署．国际可再生能源署(International Renewable Energy Agency)估计，到2030年，全球大规模电池存储系统的装机容量将增加100万至167万千瓦。
合成生物学创新有助于向更清洁、更节能的未来过渡。其中一项创新是生物电池，这是一种由分解有机化合物为燃料的酶提供动力的生物燃料电池。大多数生物电池试图模仿自然系统的能量捕获级联，例如，将葡萄糖转化为尽可能多的电子，它们可以通过酶和催化反应打破双键释放出来。迄今为止，大多数生物电池模型都是低效和低容量的。但现在，一个国际研究小组可能会通过DNA赋予这项技术新的生命。
一个基于dna Bio-Battery
生物电池的生存能力通常取决于三个因素。首先，在级联的不同步骤之间必须有良好的扩散，从一个酶的副产物有效地传递到链上的下一个酶。固定这些酶对保持它们长时间工作也至关重要，因为它们往往会迅速达到峰值，然后死亡。最后，与电极本身的实际接触至关重要。一旦所有的电子被释放出来，它们需要离开电池系统，通过电池的阴极进入电子设备。
英国生物技术公司的合作伙伴关系Touchlight遗传学和Minteer研究小组犹他大学正在采用一种新的方法用DNA做生物电池。
“我们一直在努力寻找能够固定大量蛋白质并防止其变性的材料，”明特尔研究小组的负责人谢莉·明特尔说。该团队考虑了多种纳米材料，用于变性蛋白质和固定酶的聚合物。“我们可以用聚合物固定一些酶，但不是大量的。因此，DNA策略来自于试图拥有一种我们可以装载大量材料的东西，但也会有生物相容性。”
DNA的双螺旋结构自然地与酶结合，因此非常适合。此外，DNA是天然的水凝胶形式。作为固体和液体的混合体，DNA水凝胶提供了两种状态的最佳状态:它的固体足够固定酶，而液体足够小的分子和电子可以通过它。水凝胶组原位所以它就像酶的支架完全固定在电极上。
为了提高级联反应的效率，明特尔使用了一种混杂的酶，这种酶可以催化除主要反应外的其他反应。“大多数级联反应大约有13步长，通常使用13种不同的酶，”Touchlight翻译公司的副总裁Sarah Milsom说。“雪莱找到了一种混杂的酶，可以作用于不同的底物，这意味着这13个步骤可以被四种酶覆盖。”结果就是使用三种酶的四步级联反应和一个能完全氧化乳酸分子的有机催化剂在一个阳极。
除了效率之外，基于dna的生物电池与传统燃料电池和锂离子电池相比还有一些优势。因为它们是由DNA、酶、乳酸、蛋白质和水组成的——如果它们的外壳是由生物可降解材料制成的——基于DNA的生物电池是可降解的，而且毒性和危险性更小。它们还具有可再生的潜力。
米尔森说:“你可以继续通过它们泵入辅助因子和燃料来再生酶。”此外，生物电池可能会有更长的充电时间，降低充电的能源成本，并解决一些与当今电池相关的生命周期问题。
合作制造电池
Touchlight和Minteer研究小组之间跨大西洋的校企合作是一个偶然的机会。Touchlight正在探索DNA在生物制药之外的应用，而Minteer和她的团队需要大量的DNA来扩大规模和商业化他们的研究。为了向Minteer的团队提供大量高密度的DNA, Touchlight开发了一种工艺，以最浓缩但仍可加工的形式提高DNA产量。然后，明特尔和她的团队用这种DNA制造了混合了酶和其他元素的水凝胶。
“从一开始，我们的关系就很好，”米尔森说。“我们有两项技术可以结合在一起创造出新的东西。这是成功的秘诀。”
该项目由美国海军全球研究办公室和英国国防科学技术实验室共同资助。明特尔说:“这是国际合作和为项目获得资金的绝佳机会。”“DNA让我们可以在其中加入许多催化剂，从而提高我们目前的密度。酶的级联帮助我们提高能量密度。”Minteer的酶级联与Touchlight的DNA的结合使得生物电池具有高电流和能量密度。
生物动力在前进
最让米尔森兴奋的一个可能的应用是脱水生物电池以进行长期存储。她说:“你可以随身携带大量的电能——即使它的电流密度相对较低——几乎没有重量，然后在你需要的时候用淡水或盐水重新组装。”这对在战场上服役的军人特别有用，或者作为灾区的临时能源。
生物电池还可以作为更多便携式设备的能源，如智能手机和可穿戴设备。明特尔说:“在电极表面放置大量蛋白质的概念对各种生物传感器很有用，从健康传感器到糖尿病患者的葡萄糖传感器。”“能够加入更多的酶使它们更敏感，提高灵敏度意味着它们更准确。”
展望生物电池驱动的未来
尽管生物电池有潜在的好处和有前景的应用，但它仍是一项新兴技术。基于dna的生物电池项目仍处于概念验证阶段，从原型和测试到生产和采用可能需要5到10年的时间。
下一步，研究小组将对阴极采用与阳极相同的方法，以更有效地还原氧气。他们还将用锌指结构域(DNA结合模块)进行实验，这种DNA结合模块将允许研究小组沿着DNA顺序排列酶，使它们结合在正确的位置，以观察效率是否提高。
最重要的是，该团队希望为他们基于dna的生物电池获得高电流和能量密度。Minteer说:“我们想制造一种电池设备，在这种设备中，你不是通过交换能量密度来获得高电流密度，也不是通过交换电流密度来获得高能量密度。”“我们想要表明，这不是一种取舍——你可以两者兼得。”
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