О биологических батареях и биосенсорах

Энергетическая и сырьевая ситуации в мире заставляют ученых искать альтернативы тепловым электростанциям. Для выработки электроэнергии теплоэлектростанции (ТЭС) преобразуют химическую энергию (уголь, нефть, газ) сначала в тепловую, ее в свою очередь в механическую и лишь последнюю - в электрическую энергию. В ходе этих превращений теряются огромные количества энергии. Коэффициент полезного действия (к. п. д.) лучших ТЭС составляет около 45%.

Электрохимические топливные элементы, напротив, превращают химическую энергию непосредственно в электрическую. Их коэффициент полезного действия достигает 70%. В топливных элементах топливо окисляется на электроде, т.е. оно отдает свои электроны электроду. Однако во многих потенциальных видах топлива эти окислительные процессы протекают очень медленно. Отдачу электронов топливом электроду можно существенно ускорить с помощью ферментов. Их иммобилизуют на поверхности электрода. Топливо при этом должно быть субстратом связанных ферментов. Оно связывается, окисляется, и фермент направляет высвобождающиеся электроны прямо на электрод - биологический топливный элемент дает ток. К преимуществам биологических топливных элементов наряду с высоким к. п. д. относится использование дешевых видов топлива (глюкозы, метанола), получаемых, например, из сточных вод ферментационных установок. Можно также использовать и сточные воды, содержащие крахмал, и целлюлозу, однако в этом случае эти углеводы надо предварительно ферментативно расщепить до глюкозы. Расходы на техническое обслуживание биологических топливных элементов при этом очень невелики. В лабораторных условиях биологические батареи работают уже в течение нескольких месяцев без ремонта. Наряду с работами по получению энергии из дешевого сырья проводятся исследования по использованию биологических топливных элементов с иммобилизованной глюкозооксидазой в качестве имплантируемого источника тока для стимуляторов сердечной деятельности. В таком элементе топливом могла бы служить глюкоза, а окислителем - кислород крови. Такие элементы служили бы значительно дольше, чем батарейки используемых в настоящее время стимуляторов сердечной деятельности.

Вопросы комбинирования ферментов с электродами изучает новая специальная отрасль науки - ферментная электрохимия. Первые практические результаты, достигнутые ею, а именно ферментные электроды, успешно используются в настоящее время во всех промышленно развитых странах. Они находят применение в диагностике заболеваний, для контроля за протеканием процессов в микробиологической и пищевой промышленностях, а также для контроля состава сточных вод.

Рис. 40. Применение электрохимических ферментативных реакций. Вверху - использование биологических топливных элементов для выработки электроэнергии. Внизу - использование ферментов вместе с электродами для прямого переноса электронов на ферменты (С - субстраты, П - продукты). Один электрод (справа) заменяет при этом целую биологическую электронодонорную систему (например, кофермент НАДФ-Н и редуктазу системы цитохрома Р-450). При этом экономятся дорогие и трудно поддающиеся регенерации коферменты

Благодаря иммобилизации срезов тканей и целых микроорганизмов удалось еще больше расширить области применения ферментных электродов. Например, с их помощью или с помощью микробных электродов можно обнаружить вредные вещества, такие, как ионы тяжелых металлов, которые в большинстве своем являются ингибиторами определенных ферментативных реакций. Кроме того, использование электродов в сочетании с иммунологическими методами (а именно с методом иммунологического определения ферментов) позволяет с помощью иммуноферментных электродов выявить вещества, не превращаемые ферментами, например различные антигены, антитела, гормоны и лекарственные средства.

В последнее время ферменты используют также в работе электронных узлов. Так, в Швеции К. Мосбах и сотр. создали ферментные термисторы, с помощью которых можно измерить теплоту ферментативной реакции, которая в свою очередь пропорциональна концентрации субстрата. Испытываются также ферментные транзисторы и принципиально новые "ферментно-электронные узлы".

Пока еще трудно прогнозировать дальнейшее применение ферментов. Однако уже сегодня ясно, что в будущем они будут играть важную роль в повседневной жизни людей, в медицине и промышленности.