تولید گیاهان همیشه درخشان دستاورد جدید مهندسان ژنتیک

دانشمندان گیاهانی را مهندسی ژنتیک کرده‌اند که نه‌تنها درخش قابل مشاهده‌ای دارند بلکه این درخشش خودپایدار در کل دوران زندگی گیاه ماندگار است.

تولید گیاهان همیشه درخشان دستاورد جدید مهندسان ژنتیک

 

موفقیت جدید دانشمندان در تولید گیاهان درخشان، پیشرفتی حیرت‌انگیز در گیاهان درخشان قبلی است. این گیاهان، از نمونه‌های مهندسی ژنتیک‌شده‌ی تنباکوی قبلی درخشان‌تر بوده و برای حفظ درخشش نیازی به تغذیه با مواد شیمیایی ندارند. همچنین، مدت زمان درخشش بسیار طولانی‌تر از گیاهان درخشنده‌ای است که با استفاده از نانوبیونیک گیاهی تولید شده‌اند.

البته همه‌ی ما ممکن است فورا به باغ شبانه‌ی شگفت‌انگیز آواتارمانندی فکر کنیم که در تاریکی می‌تابد و در آینده‌ی بسیار دور موجب کاهش وابستگی ما به نور الکتریکی می‌شود. اما گیاهان درخشان به ما در درک خود گیاه نیز کمک می‌کنند و بینشی درمورد نحوه‌ی متابولسیم گیاهان و چگونگی پاسخ آن‌ها به دنیای پیرامون در اختیار ما قرار می‌دهند.

پژوهشگران مطالعه‌ی جدید، روی دو گونه از گیاه تنباکو کار کرده‌اند. برخلاف گیاهان مهندسی ژنتیک شده‌ی درخشان قبلی که از باکتری‌های زیست‌تاب یا DNA کرم شب‌تاب استفاده می‌کردند، در این گیاهان از DNA قارچ زیست‌تاب استفاده شده است. پژوهشگران در مقاله‌ی خود نوشتند:

اگرچه ژن‌های باکتری زیست‌تاب می‌تواند برای مهندسی‌ خودزیست‌تابی به پلاستید افزوده شود، این کار ازنظر فنی دشوار بوده و نمی‌تواند نور کافی تولید کند. چرخه‌ی کافئیک اسید که مسیر متابولیکی مسئول درخشندگی در قارچ‌ها است، اخیرا توصیف شده است. ما انتشار نور را در گیاه گل توتون (Nicotiana tabacum) و نیکوتیان (Nicotiana benthamiana) بدون افزودن هیچ‌گونه بستر خارجی و ازطریق وارد کردن ژن‌های زیست‌تاب قارچ به ژنوم هسته‌ای گیاه گزارش می‌کنیم.

 

در پایان سال 2018 بود که گروهی از پزوهشگران (که بسیاری از آن‌ها در پژوهش جدید نیز مشارکت داشتند) مقاله‌ای را درمورد بیوسنتز لوسیفرین قارچی منتشر کردند. لوسیفرین ترکیبی است که عامل درخشش قارچ‌های زیست‌تاب است. آن‌ها دریافتند که این قارچ، لوسیفرین را از ترکیبی می‌سازد که کافئیک اسید نامیده می‌شود و طی این فرایند به عمل چهار آنزیم نیاز دارد. دو آنزیم در تبدیل کافئیک اسید به پیش‌ساز درخشان نقش دارند و آنزیم سوم، این پیش‌سازها را برای تولید فوتون اکسیده می‌کند. سپس آنزیم چهارم، این مولکول را مجددا به کافئیک اسید تبدیل می‌کند که می‌تواند طی همین فرایند بازیافت شود.

این‌جاست که همه‌چیر جالب می‌شود زیرا کافئیک اسید (ربطی به کافئین ندارد) در تمام گیاهان یافت می‌شود. کافئیک اسید در بیوسنتز لیگنین که پلیمر چوبی است که موجب سختی و استحکام دیواره‌های سلول گیاهی می‌شود، نقشی حیاتی دارد. براین‌اساس، این تیم استدلال کرد که شاید بتوان گیاهان را به طریق ژنتیکی مهندسی کرد تا همان‌طور که در قارچ‌های زیست‌تاب دیده می‌شود، مقداری از کافئیک اسید خود را به بیوسنتز لوسیفرین اختصاص دهند.

آن‌ها چهار ژن قارچی مرتبط با زیست‌تابی را وارد ژنوم گیاهان تنباکو کرده و آن‌ها را به دقت کشت کردند. پژوهشگران دریافتند که گیاهان از دوران جوانه تا بلوغ، با نوری مرئی که برای چشم غیرمسلح قابل مشاهده بود، می‌درخشیدند. این فرایند ظاهرا هزینه‌ای برای سلامتی گیاه نداشت. پژوهشگران در مقاله‌ی خود نوشتند:

در گلخانه، فنوتیپ کلی، کلروفیل و محتوای کاروتنوئید، زمان گلدهی و جوانه‌زنی بذر با تنباکوی نوع وحشی تفاوتی نداشت، فقط متوسط ارتفاع گیاهان ترانس‌ژنیک ۱۲ درصد افزایش یافته بود. این امر نشان می‌دهد که برخلاف بیان زیست‌تاب باکتریایی، بیان چرخه‌ی کافئیک اسید در گیاهان سمی نیست و بار آشکاری را حداقل در شرایط گلخانه، روی رشد گیاه تحمیل نمی‌کند.

پژوهشگران دریافتند که قسمت‌های جوان‌تر گیاه با روشنی بیشتری می‌درخشید و درخشش گل‌ها بیشتر از بخش‌های دیگر گیاه بود. به‌گفته‌ی پژوهشگران، این‌ گیاهان حدود یک میلیارد فوتون در دقیقه تولید می‌کنند. این مقدار روشنایی برای خواندن کافی نیست، اما به‌حدی روشن است که بتوان به وضوح دید. پژوهشگران گفتند گیاهان آن‌ها همچنین حدود ۱۰ برابر درخشان‌تر از دیگر گیاهان مهندسی ژنتیک‌شده‌ی درخشنده هستند.

البته افتخار درخشان‌ترین گیاه تولیدشده به گیاه آب‌تره‌ای تعلق دارد که به‌وسیله‌ی دانشمندان موسسه‌ی فناوری ماساچوست با استفاده از تکنیکی به نام نانوبیونیک گیاهی تولید شد که تابشی حدود یک تریلیون فوتون در ثانیه تولید می‌کرد اما این درخشش تنها برای ۳/۵ ساعت دوام داشت.

پژوهشگران دریافتند که درخشش طولانی‌مدت و خودپایدار جدید می‌تواند به‌عنوان شاخصی برای نشان دادن نحوه‌ی واکنش گیاه به محیط خارجی خود عمل کند. برای مثال وقتی آن‌ها یک پوست موز را در حوالی گیاه قرار دادند، گیاه در پاسخ به اتیلن ساطع‌شده درخشش بیشتری پیدا کرد. همچنین سوسو و امواجی در نور مشاهده می‌شد که به‌وسیله‌ی فرایندهای متابولیکی درونی که معمولا پنهان هستند، تولید می‌شود. این مساله نشان می‌دهد که این پژوهش می‌تواند روشی جالب برای مطالعه‌ی سلامت گیاه باشد. پژوهشگران در مقاله‌ی خود نوشتند:

با فعال‌کردن انتشار خودکار نور، می‌توان فرایندهای پویایی نظیر توسعه و فتوسنتز، پاسخ به شرایط محیطی و اثر تیمارهای شیمیایی را در گیاهان مورد نظارت قرار داد. با حذف نیاز به افزودن خارجی لوسیفرین یا بسترهای دیگر، این قابلیت‌های درخشندگی باید خصوصا برای آزمایش‌های رشد گیاه در خاک سودمند باشد.

درهمین‌حین، این تیم در تلاش است تا پژوهش خود را گسترش دهد. آن‌ها گیاهان گلداری مانند پیچ تلگرافی، اطلسی و رزها را ازنظر ژنتیکی اصلاح کرده‌اند. آن‌ها همچنین در تلاش برای تولید درخشندگی بیشتر و ایجاد رنگ‌های مختلف هستند. این پژوهشگران به اهداف بزرگ‌تری نیز فکر می‌کنند و می‌گویند:

اگرچه کافئیک اسید بومی جانوران نیست، درخشش خودکار در حیوانات نیز امکان‌پذیر است.

موفقیت دانشمندان در تولید برق از رطوبت هوا

پژوهشگران موفق شده‌اند دستگاهی بسازند که می‌تواند ۲۰ ساعت بی‌وقفه کار و برق تولید کند. این دستگاه در فضاهای داخلی و خارجی کاربردی است.

موفقیت دانشمندان در تولید برق از رطوبت هوا

روش‌های بسیار متنوعی وجود دارد که می‌توانیم به‌طور بالقوه تمام انرژی موردنیاز برای حسگرهای پزشکی کوچک یا دیگر دستگاه‌های دارای حداقل نیاز انرژی را تأمین کنیم.

بااین‌حال، معمولا فاصله‌ی زیادی بین چنین مواردی و چیزهای دیگری وجود دارد؛ مانند ژاکتی که وقتی راه می‌روید، گوشی تلفن شما را شارژ می‌کند. دستگاه‌های تولیدکننده‌ی برق یا قابلیت افزایش مقیاس ندارند یا کارآیی آن‌ها چنان کم است که برای شارژ تلفن نیز به زمان بسیار زیادی نیاز است. به‌تازگی مجله‌ی Nature مقاله‌ای منتشر و در آن دستگاهی را توصیف کرده است که به‌گفته‌ی نویسندگان، از یک طرف می‌تواند انرژی دستگاه‌های کوچکی مانند حسگرهای پزشکی را تأمین کند و از طرف دیگر مقیاس‌پذیر است؛ چنانکه با پنل‌های خورشیدی می‌تواند رقابت کند.

تمام آنچه دستگاه برای تولید انرژی به آن نیاز دارد، رطوبت محیط است. جالب این است که ظرفیت توسعه‌ی این دستگاه را دانشجویی به‌طور تصادفی کشف کرد که در حال کار روی موضوع کاملا متفاوتی بود. البته شمار زیادی از کشفیات علمی هنگامی رخ داده‌اند که دانشمندان مشغول کار روی موضوع دیگری بوده‌اند. تابش زمینه‌ی کیهانی (CMB) را افرادی کشف کردند که در حال کار روی گیرنده‌ی مایکروویو بودند؛ ولی با منبع آزاردهنده‌ای از نویز روبه‌رو شده بودند که از بین نمی‌رفت.

درباره‌ی کار اخیر، دانشجویی به‌نام شیائومنگ لیو مشغول کار روی پروتئین‌های رشته‌مانندی بود که باکتری آن‌ را ساخته بود. در بسیاری از گونه‌ها، این الیاف ریزی که با میکروسکوپ معمولی هم دیده نمی‌شوند، رساناهای مناسبی هستند و پژوهشگران در آزمایشگاه‌های مختلف در حال مطالعه‌ی ویژگی‌های مذکور و نیز باکتری‌هایی هستند که آن‌ها را تولید می‌کنند.

لیو مجموعه‌ای از پروتئین‌های باکتریایی را بین صفحات فلزی قرار داده بود. او در حال مطالعه‌ی ویژگی‌های این پروتئین‌ها بود؛ اما پروتئین‌ها ولتاژی تولید می‌کردند که تجهیزات او آن را ثبت کرد. احتمالا این ولتاژ موجب مزاحمت در روند کارش می‌شد و او می‌خواست از دست آن رها شود و در بیشتر موارد موفق نمی‌شد.

تنها چیزی که به‌نظر می‌رسید ولتاژ را از بین ببرد، حذف رطوبت از محیط بود؛ بنابراین، لیو و دیگر اعضای آزمایشگاه توجه خود را از این مسئله که چگونه ولتاژ را حذف کنند، به این مسئله تغییر دادند که چگونه رطوبت ولتاژ تولید می‌کند. در پایان، آن‌ها دستگاهی ساختند که صفحه‌ی رسانایی بود که در الیاف پروتئینی ریز حاصل از باکتری پوشانده شده بود. در بالای الیاف، نوارهای نازکی از الکترود قرار دادند. فاصله‌ی بین نوارها موجب می‌شد هوا به الیاف برسد و رطوبت نیز راه خود را به توری پیدا کند.

در حالت ابتدایی، دستگاه می‌تواند اختلاف ظرفیتی برابر یک ولت با چگالی توان حدود ۴۰ میلی‌وات‌ بر‌ سانتی‌مترمربع ایجاد کند. حتی وقتی اندازه‌ی دستگاه تا حد یک میلی‌متر کاهش پیدا می‌کند، می‌تواند نیم‌ولت برق تولید کند. دستگاه مذکور حتی وقتی سطح رطوبت محیط به حد ۲۰ درصد نیز می‌رسد (مقدار رطوبتی که معمولا فقط در بیابان دیده می‌شود)، کار می‌کند. ولتاژ حاصل زمانی در حداکثر مقدار خود بود که لایه‌ی الیاف پروتئینی ضخامت ۱۴ میکرومتر داشت؛ بنابراین، دستگاه به مقدار زیادی پروتئین نیاز ندارد.

دستگاه می‌تواند حدود ۲۰ ساعت به‌طور مستقیم برق تولید کند؛ البته در جریان این مدت، ولتاژ تا حدود ۳۰ درصد افت پیدا می‌کند. اگر تولید جریان پنج ساعت متوقف شود، ولتاژ کاملا بازیابی می‌شود؛ با‌این‌حال، مشخص نیست دستگاه بدون تخریب دائمی عملکرد چندبار بازیافت‌شدنی است. پژوهشگران دقیقا به این موضعو اشاره نمی‌کنند و می‌گویند «به‌طور مکرر».

موفقیت دانشمندان در تولید برق از رطوبت هوا

 

حتما شما هم می‌خواهید بدانید نحوه‌ی عملکرد دستگاه چگونه است. به‌گفته‌ی پژوهشگران، عملکرد دستگاه به وجود شیب رطوبتی در لایه‌ی پروتئینی نیاز دارد. براساس اندازه‌گیری‌ها، میزان اشباع در سطح شبکه ۲۷ درصد و میزان اشباع در پایه‌ی شبکه حدود ۳ درصد است. تعدادی از مولکول‌های آب جذب‌شده یونیزه می‌شوند و بقیه نیز به یونیزه‌شدن برخی از زیرگروه‌های شیمیایی پروتئین‌ها کمک و پروتون‌ها را در بسته‌های کوچکی از مایع آزاد می‌کنند.

به‌عقیده‌ی پژوهشگران، همین یون‌ها هستند که قابلیت انتقال بارهای الکتریکی را ازطریق الکترودها فراهم می‌آورند. پژوهشگران برای تأیید این موضوع برخی پلیمرهای مرتبط را آزمایش کردند و دریافتند وجود گروه‌های شیمیایی که به‌راحتی یونیزه می‌شوند، با عملکرد الکتریکی مرتبط است. این امر تا حدی معقول است؛ چراکه شیب آب موجود در دستگاه به‌ این مفهوم است که در یک سمت از آن درمقایسه‌با سمت دیگر، مواد یونیزه بیشتری وجود دارد.

همچنین، می‌توانید ببینید چگونه وقتی به دستگاه فرصت داده شود تا مجددا به حالت تعادل درآید، یون‌های استفاده‌شده هنگام فعالیت دستگاه برای تولید بار الکتریکی بازیابی خواهند شد.

البته ازآنجاکه به‌تدریج شیب رطوبتی در دستگاه از بین می‌رود، مشخص نیست دستگاه مذکور چگونه می‌تواند عملکرد خود را به‌طور نامحدود حفظ کند. بااین‌حال، پژوهشگران درباره‌ی چشم‌انداز آینده‌ی چنین دستگاهی امیدوار هستند. با‌توجه‌به اینکه تمام آنچه دستگاه به آن نیاز دارد، هوا است، می‌توان تعداد زیادی از آن را به‌طور انبوه در هر ساختار تعبیه کرد.

طبق محاسبات پژوهشگران، اگر مکعبی با وجه یک‌ متر داشته باشید که در آن فضای مساوی به جریان هوا و دستگاه‌های برداشت رطوبت اختصاص دهید، دستگاه می‌تواند یک کیلووات انرژی تولید کند. این مقدار با پنل‌های خورشیدی مدرن مقایسه‌شدنی است که به‌ازای هر مترمربع حدود ۲۰۰ وات انرژی تولید می‌کنند و آن‌ها را نمی‌توان به‌صورت انبوه روی‌هم قرار داد. البته نمی‌توان انتظار داشت جریان هوای زیادی در چنین دستگاهی وجود داشته باشد که اجزای آن بسیار نزدیک به‌هم قرار دارند؛ اما می‌توان برای بهبود جریان هوا قدری از چگالی توان را قربانی کرد. این دستگاه را می‌نوان هرجایی درمعرض هوای مرطوب قرار داد و هنگام شب نیز کار می‌کند.

یکی از پرسش‌های بی‌پاسخ درباره‌ی دستگاه این است که چقدر می‌تواند از اشباع‌شدن از آب اجتناب کند. مسئله‌ی دیگر آن است که پروتئین‌ها در محیط طی زمان تجزیه می‌شوند و مشخص نیست عملکرد این دستگاه چقدر وابسته‌ به حفظ ساختار الیاف است. ماده‌ی استفاده‌شده در این دستگاه نیز با برش از سطح باکتری در محیط کشت به‌دست می‌آید. این روش برای تولید انبوه اقتصادی نیست.

پلیمرهای جایگزین با ترکیب شیمیایی مشابه ممکن است همین عملکرد را داشته باشند؛ اما هنوز آزمایش نشده‌اند. سرانجام، مدل پژوهشگران از این دستگاه نشان می‌دهد الیاف پروتئینی کارآمدترین گزینه برای ساخت این نوع دستگاه‌ها نیستند. طبق محاسبه‌ی پژوهشگران، دستگاه آن‌ها به‌اندازه‌ی ۴ درصد از حداکثر توان تئوریکش تولید دارد؛ بنابراین، پرسش بی‌پاسخ بزرگ دیگر آن است که چقدر می‌توانیم عملکرد دستگاه را بهبود بخشیم.

ویروس ابزاری بیولوژیک برای ساخت نسل آینده باتری‌ها

دانشمندان امیدوار شده‌‌اند یکی از بدنام‌‌ترین گونه‌‌های حیات طبیعی را در جهت اهداف مفیدی مانند تولید باتری‌‌های زیستی به‌‌خدمت بگیرند.

‌‌ویروس ابزاری بیولوژیک برای ساخت نسل آینده باتری‌ها

در سال ۲۰۰۹ آنگلا بلچر، استاد زیست‌‌مهندسی از MIT به کاخ سفید رفت تا یک نمونه باتری کوچک را در حضور باراک اوباما، رئیس‌جمهور وقت ایالات متحده به‌نمایش بگذارد. به‌ندرت پیش می‌آید یک فناوری بتواند نظر رهبر قدرتمندترین کشور جهان را به خود جلب کند؛ اما این باتری از آن دسته فناوری‌هایی نبود که هرروزه در اخبار انرژی جهان شاهد آن هستیم.

بلچر موفق شده بود در الکترودهای مثبت و منفی یک باتری لیتیوم‌یون از ویروس‌ها بهره بگیرد. این دستاورد مهندسی می‌توانست نویدبخش ابداع راهکاری نوین برای حذف مواد سمی از ساختار باتری‌های جهان و افزایش کارایی آن‌ها باشد. درحالی که دولت اوباما پیش‌تر از اختصاص بودجه‌ای دو میلیارد دلاری برای نسل جدید باتری‌های پیشرفته خبر داده بود؛ فناوری جدید معرفی‌شده ازسوی بلچر می‌توانست همان چیزی باشد که صنعت ذخیره‌سازی انرژی سال‌ها انتظار آن را می‌کشید.

حال پس از یک دهه، به‌نظر می‌رسد فناوری باتری‌های ویروسی بلچر پیشرفت‌های چشمگیری داشته است. او ویروس‌هایی را طراحی کرده است که می‌توانند در ساختار  مواد مختلف به‌کار گرفته شوند و علاوه‌بر آن، از تکنیک‌های تازه‌ای پرده برداشته که می‌توانند برای ساخت سلول خورشیدی نیز مفید واقع شوند. با اینکه رؤیای بلچر برای ساخت خودروهایی با سوخت ویروس هنوز محقق نشده است؛ درنتیجه‌ی سال‌ها تلاش او و همکارانش در آزمایشگاه‌های MIT، این فناوری توانسته تقریبا به یک قدمی خروج از آزمایشگاه‌ها و ورود به دنیای واقعی برسد.

ویروس‌ها را می‌توان درواقع زامبی‌های میکروسکوپی دنیای طبیعت قلمداد کرد. این موجودات در مرز میان موجودات زنده و غیرزنده جای می‌گیرند و با اینکه مانند سایر موجودات زنده از DNA اختصاصی خود برخوردار هستند؛ جز درهنگام حضور در بدن میزبان خود، قادر به تولیدمثل نیستند. عدم توانایی ویروس‌ها در تولیدمثل مستقل باعث می‌شود نتوان یکی از بارزترین مشخصه‌های حیات را درمورد این موجودات صادق دانست. با این حال، بلچر معتقد است همین ویژگی‌های ویروس‌ها در کنار دانش مهندسی نانو می‌تواند به ما کمک کند باتری‌هایی با چگالی انرژی بیشتر، عمر طولانی‌تر و تعداد دفعات شارژ بالاتر تولید کنیم و در کنار تمامی این مزایا آسیب کمتری به محیط زیست وارد آوریم. کنستانتینوس گراسوپلوس، دانشمند ارشد تحقیقات درحوزه‌ی باتری‌های پیشرفته در آزمایشگاه فیزیک کاربردی جان هاپکینز می‌گوید:

گرایش روبه‌رشدی درزمینه‌ی کاربرد مواد نانو در ساختار الکترود باتری‌ها به‌چشم می‌خورد. چندین روش برای تولید نانومواد باکمک تکنیک‌های رایج در علم شیمی وجود دارد. مزیت استفاده‌ از مواد زیستی نظیر ویروس‌ها آن است که این موجودات به‌خودی خود در مقیاس نانو هستند. از این‌رو، آن‌ها در حکم قالب یا چارچوبی طبیعی برای ساخت مواد باتری به‌شمار خواهند آمد.

‌‌ویروس ابزاری بیولوژیک برای ساخت نسل آینده باتری‌ها

پیش‌تر، طبیعت موفق شده است از روش‌هایی مختلف و بدون دخالت ویروس‌ها، ساختارهای کاربردی را از مواد غیرارگانیک تولید کند. یکی از این ساختارهای جالب، صدف‌های آبالونی هستند که به‌شدت موردتوجه بلچر نیز قرار گرفته‌اند. ساختار این نوع صدف‌ها بسیار سبک و مستحکم است. طی چندین میلیون سال، دی‌ان‌ای این موجودات به‌گونه‌ای تکامل یافته است که اکنون می‌توانند مولکول‌های کلسیم را از محیط‌های دریایی غنی از مواد معدنی استخراج کرده و آن را در بدنه‌ی خود به‌شکل لایه‌به‌لایه انباشت کنند؛ اما بلچر دریافته است که می‌توان از این فرایند بنیادین برای ساخت مواد مفید از ویروس‌ها نیز بهره برد. او می‌گوید:

ما بیولوژی را به‌گونه‌ای مهندسی کرده‌ایم تا تولید نانوموادی را که به‌صورت طبیعی تولید نمی‌شوند، تحت کنترل درآوریم. ما ابزار زیست‌شناسی را برای کار با مواد جدید بسط داده‌ایم.

برای رسیدن به این هدف، بلچر ویروس M13 را انتخاب کرده است. این ویروس، نوعی باکتری‌خوار سیگاری‌شکل است که درون باکتری‌ها تکثیر می‌شود. گرچه M13 تنها ویروسی نیست که می‌توان از آن برای مهندسی نانو بهره گرفت؛ اما بلچر می‌گوید کار با این ویروس به‌دلیل سهولت در دستکاری محتویات ژنتیکی آن ساده‌تر است. برای آن‌که بتوان این ویروس را وادار به تولید الکترود کرد، بلچر آن را در معرض موادی قرار داد که قصد دستکاری آن‌ها را داشت.

جهش ژنتیکی طبیعی یا مصنوعی رخ‌داده در ساختار دی‌ان‌ای برخی از ویروس‌ها باعث می‌شود که این موجودات به موادی که درمعرض آن قرار گرفته‌اند، بچسبند. در مرحله‌ی بعد، بلچر این ویروس‌ها را استخراج کرده و یک باکتریوم را با‌ آن‌ها آلوده می‌کند. بدین‌ترتیب، میلیون‌ها نمونه از یک ویروس به‌خصوص در محیط باکتریوم کشت می‌شوند. این سازوکار بارها و بارها تکرار می‌شود و با هر بار تکرار، ویروس دقت بیش‌تری در طراحی معماری باکتری به‌دست می‌آورد.

باید دانست ویروس‌هایی که بلچر طراحی کرده است، قادر به تشخیص الکترودهای مثبت و منفی باتری از یکدیگر نیستند و البته نیازی هم نیست چنین قابلیتی داشته باشند. دی‌ان‌ای این ویروس‌ها به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شده است که قادر به انجام تنها یک وظیفه‌ی مشخص باشند. وقتی میلیون‌ها عدد از این ویروس‌ها در کنار یکدیگر یک کار به‌خصوص را انجام دهند، این مجموعه قادر به تولید موادی مفید خواهد بود.

برای مثال، این ویروس می‌تواند به‌شکلی مهندسی شود که بتواند یک پروتئین خاص با قابلیت جذب ذرات اکسید کبالت را روی سطح خود تولید کند. بدین‌ترتیب با تولید میزان بیش‌تری از این پروتئین، ذرات بیش‌تری از اکسید کبالت  روی سطح ویروس جذب شده تا اینکه نهایتا تمامی بدنه‌ی ویروس با ذرات یادشده پوشیده شود. این روند باعث ایجاد یک نانورشته ازاکسید کبالت باکمک ویروس‌ها خواهد شد که می‌تواند در ساختار یک الکترود باتری کارایی داشته باشد.

‌‌ویروس ابزاری بیولوژیک برای ساخت نسل آینده باتری‌ها

^{هنوز راهی طولانی تا تحقق رؤیای استفاده از باتری‌های ویروسی در خودروهای الکتریکی در پیش است.}

روش ابداعی بلچر در دستکاری ژنتیکی ویروس‌ها تاحدودی به شیوه‌ی پرورش نژادهای اصلاح‌شده‌ی سگ‌ها شباهت دارد

در روش ابداعی بلچر، با تطبیق‌‌دهی توالی دی‌‌ان‌‌ای ویروس‌‌ها با عناصر مختلف جدول تناوبی سعی شده است روند «انتخاب غیرطبیعی» با سرعت‌‌بیش‌‌تری انجام شود. کدگذاری یک‌‌سویه‌‌ی DNA می‌‌تواند موجب شود ویروس توانایی جذب یک مولکول خاص مانند فسفات آهن را به‌‌دست آورد؛ درحالی‌که یک تغییر در این کدگذاری ممکن است باعث شود همین ویروس شروع به جذب اکسید کبالت کند.

این روش برای کلیه‌‌ی عناصر جدول تناوبی قابل‌‌پیاده‌‌سازی است؛ به‌‌شرطی که بتوانیم توالی دی‌‌ان‌‌ای مناسب آن را بیابیم. از این رو، می‌‌توان کار  بلچر را تاحدودی با آنچه پرورش‌‌دهندگان نژادهای گزینشی از سگ‌‌ها انجام می‌‌دهند، مقایسه کرد؛ با این تفاوت که بلچر به‌‌جای سگ‌‌های اصلاح‌‌نژادشده، ویروس‌‌هایی باقابلیت کارکرد درون باتری پرورش می‌‌دهد. این روند حاکی از نوعی دخالت در سیر انتخاب طبیعی موجودات است که رخ‌‌دادن آن در طبیعت به‌‌شکل عادی بسیار بعید به‌‌نظر می‌‌رسد.

بلچر تاکنون از تکنیک خود برای ساخت الکترودهای ویروسی گوناگون و استعمال آن‌‌ها در طیف متنوعی از باتری‌‌ها بهره برده است. باتری کوچکی که او در سال ۲۰۱۹ و در حضور اوباما رونمایی کرد، درواقع یک باتری دکمه‌‌ای استاندارد لیتیوم‌‌یونی بود که نمونه‌های سنتی آن در ساعت‌‌های مچی یافت می‌‌شود.

او از این باتری برای روشن‌‌نگاه‌‌داشتن یک لامپ ال ای‌‌دی کوچک بهره برد. با این حال، بلچر الکترودهای نامتعارف‌‌تری را مشابه‌‌با آنچه در انواع باتری‌‌های لیتیوم‌‌هوا و سدیم‌‌یون دیده می‌‌شود، به‌‌کار گرفته بود. او در توجیه این کار خود می‌‌گوید که دلیلی برای تولیدی محصولی رقیب با باتری‌‌های رایج لیتیوم‌‌یون نمی‌‌بیند. او می‌‌افزاید:

ما نمی‌‌خواهیم با فناوری فعلی رقابت کنیم. ما تنها به‌‌دنبال پاسخ به این پرسش هستیم که «آیا زیست‌‌شناسی می‌‌تواند در حل مسائلی مفید واقع شود که تابه‌‌امروز بی‌‌پاسخ مانده‌‌اند؟»

یکی از کاربردهای احتمالی این ویروس‌‌ها می‌‌تواند در تولید ساختارهای الکترودی منظمی باشد که امکان کاهش مسافت طی‌‌شده توسط یون را در خلال جابجایی میان دو الکترود فراهم کند. این سازوکار می‌تواند نرخ شارژ و تخلیه‌‌ی باتری را افزایش دهد. به‌‌گفته‌‌ی پاول براون، مدیر آزمایشگاه تحقیقات مواد از دانشگاه ایلینویز، چنین دستاوردی به‌‌منزله‌‌ی جام مقدس صنایع ذخیره‌‌سازی انرژی محسوب خواهد شد.

او می‌‌گوید سامانه‌‌های مبتنی‌‌بر ویروس می‌‌تواند تاحد قابل‌‌ملاحظه‌‌ای ساختار الکترودهای درون باتری را بهبود داده و نرخ شارژ را تسریع کند.

تاکنون الکترودهای مبتنی‌‌بر ویروس بلچر ساختاری اساسا تصادفی داشته‌‌اند؛ اما او و همکارانش در تلاش هستند ویروس‌‌ها را وادار به جایابی منظم‌‌تری کنند. با این حال، هم‌‌اکنون نیز باتری‌‌های ویروسی او همچنان از لحاظ ظرفیت انرژی، طول عمر و نرخ شارژ نسبت‌‌به باتری‌‌های مشابه  با الکترودهای سنتی برتری‌هایی دارند.

اما بلچر می‌‌گوید بزرگ‌‌ترین مزیت این نوع سیستم‌‌ها آن است که دوستدار محیط زیست هستند. روش‌‌های سنتی تولید الکترود مستلزم کار با مواد شیمیایی سمی و دماهای بسیار بالا است؛ درحالی‌که تمام آنچه که بلچر برای تولید الکترود نیازمند آن است، مواد اولیه‌‌ی الکترود، آب در دمای اتاق و مقداری ویروس اصلاح‌‌شده‌‌ی ژنتیکی است. بلچر می‌‌گوید:

تمرکز فعلی ما در آزمایشگاه، دستیابی به پاک‌‌ترین فناوری است.

بلچر برای تولید الکترود باتری‌ها تنها به مواد اولیه، آب در دمای اتاق و مقداری ویروس اصلاح‌‌شده نیاز دارد

او می‌افزاید این سیاست شامل ملاحظات مربوط‌‌به محل استخراج مواد معدنی موردنیاز برای ساخت الکترودها و نیز زباله‌‌های تولیدشده در فرایند ساخت الکترودها نیز خواهد شد. فناوری ابداعی بلچر هنوز برای ورود به بازار آماده نیست، ولی او و همکارنش می‌‌گویند که هم‌‌اینک چندین مقاله از آن‌‌ها دردست بازبینی است که در آن‌‌ها به نحوه‌‌ی تجاری‌‌سازی این فناوری برای حوزه‌‌هایی نظیر صنایع انرژی اشاره شده است. بااین‌حال، وی از ذکر جزئیات بیش‌‌تر در این مورد خودداری کرد.

‌‌ویروس ابزاری بیولوژیک برای ساخت نسل آینده باتری‌ها

^{سامانه‌های مبتنی‌بر ویروس‌ها علاوه‌بر کاربرد در صنایع ذخیره‌سازی انرژی، می‌توانند در تشخیص و درمان سلول‌های سرطانی نیز مفید واقع شوند.}

وقتی بلچر برای اولین‌‌بار از ایده‌‌ی خود در ارتباط‌‌با استفاده از ساختارهای مبتنی‌‌بر دی‌‌ان‌‌ای با هدف تولید مواد سودمند سخن گفت، با سیلی از انتقادات ازسوی همکارانش مواجه شد. او می‌‌گوید: «مردم به من می‌‌گفتند که دیوانه شده‌‌ام.» امروز دیگر این ایده چندان دورازدسترس به‌‌نظر نمی‌‌رسد؛ ولی هنوز هم رساندن این فناوری از مرحله‌‌ی آزمایشگاهی به فاز تجاری همچنان با چالش‌‌های عدیده‌‌ای مواجه است. بوجدان دراگنی، استاد شیمی دانشگاه ایندیانا بلومینگتون می‌‌گوید:

تولیدکنندگان باتری‌‌های سنتی از مواد و فرایندهای کم‌‌هزینه استفاده می‌‌کنند؛ درحالی‌که مهندسی ویروس‌‌ها باهدف بهبود کارکرد و رفع موانع تولید انبوه هنوز مستلزم سال‌‌ها پژوهش و هزینه‌‌های مرتبط‌‌با آن خواهد بود. ما به‌‌تازگی در حال درک ظرفیت موجود در مواد مبتنی‌‌بر ویروس از جنبه‌‌ی مشخصات فیزیکی هستیم.

پیش‌‌ازاین، بلچر براساس نتایج پژوهش‌‌های خود در حوزه‌‌ی مونتاژ ویروسی اقدام به ثبت دو شرکت کرده بود. یکی از این دو شرکت Cambrios Technologies نام دارد که در سال ۲۰۰۴ تأسیس شد و در حوزه‌‌ی ساخت پوشش صفحات لمسی براساس روش‌‌های تولید مبتنی‌‌بر ویروس فعالیت دارد. شرکت دوم او نیز با نام Siluria Technologies از ویروس‌‌ها در فرایند تبدیل متان به اتیلن (یکی از گازهای پرکاربرد در صنایع تولیدی) بهره می‌‌برد. در یک مقطع زمانی، بلچر از ویروس‌‌ها برای مونتاژ سلول‌‌های خورشیدی نیز کمک گرفت؛ ولی این فناوری در مقایسه‌‌با سلول‌‌های خورشیدی پروسکایتی از بازدهی مناسبی برخوردار نبود.

هنوز نمی‌‌توان با قطعیت درمورد زمان تجاری‌‌سازی فناوری ساخت الکترودهای باتری باکمک ویروس‌‌ها اظهارنظر کرد. گراسپولوس می‌‌گوید در تأسیسات ساخت باتری، چندین تُن مواد به مصرف می‌‌رسد؛ بنابراین رسیدن به چنین حجمی از تولید، آن هم تنها باکمک مولکول‌‌های بیولوژیکی کار چندان ساده‌‌ای نخواهد بود.  البته او معتقد است که با اینکه نمی‌‌توان چنین موضوعی را به‌‌منزله‌‌ی یک بن‌‌بست در این فناوری تلقی کرد.؛ ولی احتمالا کماکان ازجمله چالش‌‌های کلیدی پیش‌‌روی پژوهشگران خواهد بود.