ویروس؛ ابزاری بیولوژیک برای ساخت نسل آینده باتری های جهان

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

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.

^{آنگلا بلچر، استاد زیست‌‌مهندسی MIT و مبدع باتری‌های مبتنی‌بر ویروس}

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.

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

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.

^{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.

شاید جهان هرگز نتواند شاهد عرضه‌‌ی یک نسخه از خودروهای تسلا مجهزبه این باتری‌‌های ویروسی باشد؛ اما روش ابداعی بلچر در نانومهندسی بیولوژیک می‌تواند در بسیاری از زمینه‌‌های دیگر (فارغ از رشته‌‌ی برق) مفید واقع شود. در حال حاضر، بلچر به‌‌همراه گروهی از دانشمندان دانشگاه MIT در حال کار روی یک سامانه‌‌ی ویروسی است که درنهایت می‌‌تواند منجر به تولید نانوذراتی با کاربرد ضدتوموری شود. از آنجاکه رهگیری سلول‌‌های سرطانی بسیار کوچک در بدن افراد بیمار امری دشوار محسوب می‌‌شود؛ به‌‌کارگیری چنین نانوذراتی شاید بتواند به روند تشخیص زودهنگام بیماری و کاهش نرخ مرگ‌‌ومیر در بیماران مبتلابه سرطان کمک شایان توجهی کند. از لحاظ تکنیکی ممکن است روزی بتوانیم این نانوذرات را مجهز به انواعی از مواد بیولوژیکی کنیم که قادر به ازبین‌‌بردن سلول‌‌های سرطانی باشند؛ هرچند هنوز تا رسیدن به این مرحله، راهی طولانی در پیش است.

در سرتاسر تاریخ بشر، ویروس‌‌ها برای ما ارمغانی جز بیماری و مرگ نداشته‌‌اند؛ اما تلاش‌‌های بلچر مسیری کاملا جدید را از آینده پیش‌‌رویمان گذاشته است؛ آینده‌‌ای که در آن این مخلوقات شگفت‌‌انگیز جهان هستی بتوانند در جهت منافع بشر و نه علیه او به‌‌خدمت گرفته شوند.