Кого слушает президент
`

Старый хлеб — новые технологии

О том, как, изучая плесневелый хлеб, можно улучшать работу аккумуляторов

Дарья Сапрыкина, Мария Мартьянова 21.03.2016, 09:46
Shutterstock

Красная хлебная плесень подсказала ученым способ создания биотехнологичных батареек. Почему можно получить Нобелевскую премию, если не выбрасывать заплесневелый хлеб, и как крошечные грибы помогают изучать человеческие гены, выяснял отдел науки «Газеты.Ru».

Ученые выяснили, как красная хлебная плесень может помочь в создании нового материала для изготовления литий-ионных аккумуляторов. Впрочем, плесень используется исследователями и из других сфер науки, а в 1958 году за ее изучение даже вручили Нобелевскую премию.

Гриб до премии доведет

Гриб крошечного размера вида нейроспора густая (Neurospora crassa), более известный как красная хлебная плесень, в повседневной жизни скорее вызывает неудовольствие. Своим появлением на кусочке батона он напоминает о том, что необходимо оторваться от важных домашних дел и бежать в булочную за свежим хлебом. Зато в лабораторных условиях нейроспора — желанный гость и хороший помощник в исследованиях.

Красную хлебную плесень за ее гаплоидность, или набор непарных хромосом, особенно любят генетики. Неправильное изменение гена в организме нейроспоры моментально проявляется, так как нет второго гена, который был бы способен подавить мутацию. В начале 1940-х годов пристальное изучение клеточного строения нейроспоры позволило Эдварду Татуму и Джорджу Бидлу сформулировать принцип «один ген — один фермент».

Исследователи заставили один из генов красной хлебной плесени мутировать, после чего оказался невозможным синтез отдельного белка. Тогда учеными было установлено, что за соединение одной белковой цепи отвечает только один конкретный ген.

В конечном итоге крохотная нейроспора привела Татума и Бидла к Нобелевской премии по физиологии и медицине за 1958 год. Правда, позднее выведенный учеными принцип был несколько переформулирован, но вклад Татума и Бидла в развитие генетики от этого не уменьшился — он позволил генетике перейти на качественно новый уровень исследований.

Плесень, часы и человек

Значительно позднее, в 2008 году, изучение крошечных грибов помогло генетикам увеличить знания о зависимости работы генов от биологических часов организма. Ученые из Университета Джорджии определили, что практически четверть генов в организме нейроспоры регулируется биологическими часами. До публикации результатов их экспериментов в журнале PLoS ONE ученые полагали, что только 16 генов нейроспоры зависят от часов. Исследование 2008 года смогло увеличить это число до 295.

С особым удивлением генетики открыли, что под контроль собственных часов организма попадает образование таких существенно важных клеток, как рибосомы, которые отвечают за соединение белков.

Сейчас ученым достоверно известно, что от биологических часов зависит работа не только генов плесени. Ученые выяснили, что многие человеческие гены, которые являются мишенью для тех или иных лекарств, ведут себя точно так же. Благодаря этому стало понятно, почему лекарства могут действовать по-разному в зависимости от времени приема. А совсем недавно исследователи доказали, что на работу генов влияет не только время суток, но и время года, именно этим и объясняются сезонные вспышки тех или иных заболеваний.

К болезням, течение которых обостряется в определенные времена года, относятся аутоиммунные заболевания (например, сахарный диабет первого типа), психические расстройства (невротические обострения и шизофренические психозы, пик которых приходится на осень), а также проблемы с сердечно-сосудистой системой (весной увеличивается количество людей, попадающих в больницу с диагнозом «инсульт»).

Грибы и батарейки

Однако красная хлебная плесень в научных целях может пригодиться не только генетикам. Так, шотландских микробиологов и химиков-технологов из Китая нейроспора неожиданно навела на мысль о создании новых биотехнологичных электрических аккумуляторов. Ученые впервые смогли описать, как в организме красной плесени происходит усвоение марганца с сохранением важных электрохимических свойств. Исследование было опубликовано в последнем номере журнала Current Biology. И тем не менее это не первое обращение исследователей к описанию химических процессов твердых веществ, в которых задействованы грибы: ранее им удалось установить, что грибы способны восстанавливаться после отравления свинцом и ураном.

До настоящего момента технологами было приложено немало усилий по усовершенствованию батареек и автомобильных аккумуляторов. Инженеры рассматривали применение углеродных нанотрубок, а вот о том, что можно соединить батарейки с грибами, никто не догадывался.

В ходе экспериментов шотландские и китайские исследователи поместили красную плесень к хлористому марганцу и мочевине. Особые нитевидные образования грибов, или гифы,

активизировали свою основную функцию — преобразование веществ, после чего на теле нейроспоры ученые обнаружили минеральные соли различных составов.

Далее исследователи решили нагреть крошечную плесень, которая отличается термоустойчивостью. После нагрева в результате процесса биоминерализации на гифах плесени образовалось новое вещество, в основе которого лежал оксид марганца (он используется в батарейках в качестве материала для электродов). Исследователи применили новое вещество в качестве электродного материала в литий-ионном аккумуляторе и выяснили, что биокомпозит прекрасно справляется со своей задачей: он помог батарейке сохранить более 90% заряда даже после 200 циклов зарядки и разрядки. Авторы подчеркивают, что их работа стала первым свидетельством возможности получения электродного материала благодаря происходящим в грибах процессам биоминерализации.

В процессе исследования хлебной плесени ученые заинтересовались восстановлением ценных или дефицитных химических элементов в результате процессов, протекающих в живых организмах. Также исследовательская группа намерена продолжить работу с нейроспорой: ученые уже пригласили ее поучаствовать в изучении предполагаемой выработки карбонатов в организме.