Nanotechnológie pomohli vytvoriť materiály s pórovitou 3D štruktúrou. Na takýto povrch sa zmestí omnoho viac molekúl a sú s ním aj lepšie spojené. Elektrochemické biosenzory založené na nanomateriáloch umožňujú stanoviť podiel glukózy v nápojoch či krvi, sú vhodné aj na určenie nežiaducich látok. Čoskoro budeme mať aj elektroniku na biopalivo.
V najbližších rokoch sa dajú očakávať aj reálne komerčné výstupy, takže predsa len budeme do telefónov nalievať kofolu.
Bio
Už od dávnych čias ľudia využívali mikroorganizmy pri výrobe alkoholických nápojov, kysnutí mlieka a neskôr napríklad aj pri príprave kysnutého chleba alebo iných potravín. Tieto postupy sa nazývali všelijako, no dnes využitie baktérií, húb a iných (mikro)organizmov alebo ich častí označujeme názvom biotechnológia. Vyjadruje
to skutočnosť, že žiadané produkty pre nás vyrábajú biologické činitele. Vymenovať všetky oblasti, do ktorých prenikajú biotechnologické postupy, by znamenalo popísať množstvo papiera a navyše by zoznam čoskoro nebol aktuálny. Biotechnológovia totiž neustále prichádzajú s novými objavmi a v porovnaní s množstvom používaných látok v minulosti sa dá hovoriť o biotechnologickej revolúcii. V takýchto procesoch nám premenu surovín na želaný produkt zabezpečujú špecifické enzýmy, ktoré sú produkované (prirodzene alebo zásluhou génového inžinierstva) baktériami či inými organizmami. A práve neuveriteľne široká škála rozličných enzýmov (a pokroku v génovom inžinierstve) nám pomáha nútiť baktérie vyrábať chutné potraviny (kvasenú zeleninu, syr, jogurt, víno…), liečivá, plasty, priemyselné chemikálie, aromatické látky atď. oveľa lacnejšie než len použitím chemických postupov.
Elektro
Pri drvivej väčšine spomenutých premien sa pomocou enzýmov presúvajú (odoberajú) elektróny z molekuly východiskovej látky alebo (pridávajú) na ňu. Tieto javy sa nazývajú oxidácia a redukcia, podľa toho, či sa elektróny odoberajú alebo pridávajú. Enzýmy dávajú svojou činnosťou do pohybu maličké množstvo elektrického náboja. Tento pohyb náboja, teda elektrický prúd pri určitom potenciáli, sme schopní za určitých podmienok merať. Je pravda, že o bioelektrine referoval už v 18. storočí Luigi Galvani, ale len pred viac ako sto rokmi Angličan M. C. Potter ako prvý využil mikroorganizmy na výrobu elektriny. Vyrobil prvú biobatériu, sériu ele
ktród ponorených do živného média s baktériami a na druhej strane spojených s inými elektródami na uzavretie elektrického obvodu. Na rozdiel od ceruzkovej batérie im však môžeme dodávať palivo. Pri biobatériách (presnejšie biopalivových článkoch) si dokonca môžeme vybrať z veľmi širokej palety palív, pretože enzýmov vyrábajúcich elektrinu je veľké množstvo a sú veľmi rôznorodé (Ty máš smartfón na alkohol? To sa máš, mne zožral včera tablet celú tabuľku čokolády :-)). Od čias M. C. Pottera už dokázali usilovní biotechnológovia zostrojiť biopalivové články meniace na elektrinu napríklad organické znečistenie v odpadových vodách, alkohol, glycerol, vodík, rôzne organické kyseliny a predovšetkým cukry vrátane súčastí telových tekutín rôznych živočíchov (krysa, homár, korýtko rybničné, slimák, králik, šváb) a rastlín (kaktus, húževnatec jedlý – shiitake) aj ľudských sĺz. Ide o látky jednoduchej štruktúry, tiež veľmi rozšírené a lacné, prípadne priamo odpad. Celý proces je z environmentálneho hľadiska úplne čistý.
Veľmi perspektívnym spojením elektriny a biotechnológie je konštrukcia takzvaných biosenzorov. Enzým je väčšinou schopný premeniť len jednu konkrétnu látku, ostatné ignoruje. Potom môžeme ampérmetrom pripojeným k obvodu s elektródou, na ktorej je správny enzým, určiť, koľko je určitej látky v nejakom roztoku. Veľmi dobrým príkladom biosenzorov sú napríklad bežne dostupné glukometre, kde informáciu o množstve glukózy v krvi prináša enzým glukózooxidáza.
Nano
Je asi na mieste pýtať sa, prečo sa biobatérie alebo biosenzory už bežne nepredávajú (album Richarda
Müllera Bioelektrovízia vyšiel už v roku 1986). Dôvodov je zrejme viacero, dôležité však je, že až v ostatnom desaťročí do tímu biotechnológie pribudol ďalší spojenec – elektrina. Týmto kľúčovým hráčom sú nanotechnológie, schopné pracovať s objektmi veľkými tisícinu milimetra a menej. Takto maličké objekty naskladané na určitej ploche nevytvoria súvislý povrch, ale skôr 3D štruktúru s veľmi jemnými pórmi a medzierkami. V porovnaní s hladkou plochou sa na takýto nanoštruktúrovaný povrch zmestí omnoho viac molekúl enzýmu alebo napríklad bakteriálnych buniek, ktoré budú vyrábať omnoho viac elektriny. Nanoštruktúry navyše prispievajú lepšiemu spojeniu molekúl s povrchom, čo uľahčuje cestu elektrónom, a tak získame opäť o niečo viac elektriny.
V posledných rokoch sa s pomocou nanomateriálov podarilo pripraviť biopalivové články schopné poháňať napríklad kardiostimulátor len pomocou glukózy a kyslíka v krvi (testované v simulácii krvného obehu, nie v tele živého organizmu), rozsvietiť LED pomocou maličkých elektród zapichnutých do dužiny hrozna atď. V najbližších rokoch sa snáď dajú očakávať aj reálne komerčné výstupy, nuž možno budeme nalievať do telefónov kofolu alebo vodku.
Predstavme si biosenzor, ktorý sa napája sám na princípe biopalivového článku. Takéto zariadenia by boli schopné veľmi presne a rýchlo merať koncentrácie istých látok v tele (kyselinu mliečnu, hormóny alebo glukózu), a tak informovať o aktuálnej kondícii biobatérie. Taktiež môžu zisťovať zmeny v organizme súvisiace so vznikom rôznych typov rakoviny, autoimunitných a iných ochorení. Vďaka pokroku v oblasti nanotechnológií vieme zostrojiť biosenzory schopné určiť len niekoľko desiatok či stoviek molekúl špecifických proteínov v kvapke krvi. To nás môže upozorniť na vznik určitých ochorení ešte pred spozorovaním akýchkoľvek príznakňov. Biosenzory budú môcť v rovnakom čase zisťovať až desiatky rôznych látok, pričom každá môže súvisieť s iným ochorením.
Rovnako ako biopalivové články, aj biosenzory zatiaľ skôr čakajú na svoju príležitosť na širšie využitie v nemocniciach a inde. Výsledky doterajších výskumov nás však oprávňujú predpokladať, že tieto zariadenia sa už čoskoro stanú súčasťou nášho bežného života, krásneho nového bioelektronanomateriálového života.
Autori: Ing. Jaroslav Filip, PhD., Ing. Ľudmila Kluková, Ing. Ján Tkáč, DrSc.
Oddelenie glykobiotechnológie, Chemický ústav SAV
Viac sa dočítate v časopise Quark (číslo 2/2015).