生物發光LED照亮未來 研究人員從水母提取穩定螢光蛋白為燈供電
2020-12-03 前瞻網
圖片來源：Reuters
想像一下生物發光LED照亮的未來，不僅可以使用更少的地球資源來製造，還可以通過全天候模擬太陽來改善你的心情。
Rubén Costa博士認為，這可能比你想像的更接近現實，他認為我們正處於生物和納米技術革命的邊緣，可以縮小自然與人造環境之間的差距。
「我們需要做的是在我們了解和理解的這些材料與技術之間架起一座橋梁。」西班牙研究人員在接受世界經濟論壇採訪時說，「我相信，這將是下一場革命。」
Costa躋身MIT Technology Review 35歲以下創新者榜單中，開創性地將水母中發現的發光蛋白在水溶液外呈穩定狀態，以創造生物LED。
「我猶記得這個時刻，當我們能夠從玻璃上剝下橡膠，把它放在紫外線上，它仍然是綠色的。」他談到「燈泡」在2015年的時刻，當時製備的螢光蛋白細菌「幾乎能夠在無水的培養基中存活」，保持結構和功能發光。
他對這一發現感到非常興奮，Costa第二天不得不去看醫生，因為他太長時間在紫外線下看著團隊創造的螢光聚合物，導致眼睛乾澀：「醫生告訴我，'不要再做了!'「
解決不可能的問題
Costa的研究匯集了幾位諾貝爾獎得主科學家的工作。已故的日本有機化學家和海洋生物學家下村修(Osamu Shimomura)教授因其在水母中發現綠色螢光蛋白(GFP)，而於2008年授予諾貝爾化學獎。
同時獲得該獎項的是Martin Chalfie教授，能夠提取表達該蛋白質的DNA，並對蠕蟲進行基因改造以使其發光。 GFP現在被分子生物學家用於追蹤基因。
2014年，美國電子工程師Shuji Nakamura教授與兩位同事共同獲得諾貝爾物理學獎，獎勵發現「高效藍色發光二極體」或LED，其中Costa稱之 「身為人類，我們曾開發出的最強大的技術」。
在一次會議上聽到有關螢光蛋白的討論之後，Costa對「美麗的材料」和以某種方式使用它來為燈供電的想法很感興趣。徵服「不可能」的挑戰 —— 穩定螢光蛋白，一直縈繞在心頭。
「我從沒想過能用生物化合物達成技術。」他承認道，「我來自一個基本上每個人都在告訴我生物不夠穩定的世界。但它們非常穩定。」
邁向可持續發展的LED
為了使白色LED點亮我們的家、手機和電腦屏幕，Nakamura的藍色晶片塗有一種化合物，以過濾強烈的藍光。這種濾光片是一種淡黃色螢光粉，由稀土材料製成，如釔，是降低強光藍光的最佳材料之一。
但隨著LED越來越主導全球照明行業，由於它們效率高，製造成本正在下降，預計我們將在2019年至2022年之間的某個時間達到釔的峰值需求。
問題也隨之而來，因為顧名思義，釔是罕見的，必須開採獲得，並且僅存在於某些國家，因此開採和運輸會對環境產生影響。
這就是BioLED適合的地方。一旦Costa的團隊創造了彩色生物過濾器 - 今天仍然發光強烈 - 他的創意將充分利用其優點。
「然後我們進入下一步 - 可持續發展。蛋白質的優勢在於，你可以通過細菌大腸桿菌在世界各地生產它們，這是一種無專利技術，而且它的價格非常便宜。」
該技術仍處於開發階段。 Costa的團隊將他們的BioLED從100小時的穩定性提升到1,700小時，但他們的目標是5,000到10,000小時的光照，他認為這是可能的。
為SAD患者提供幫助
彩色生物過濾器不僅可以有效減少苛刻的藍色成分，還可以在關閉光線時再生蛋白質。
Costa說：「生物材料有一個獨特的東西 - 它們能夠自我修復。所以當你去睡覺時，蛋白質就在恢復其結構。」
他解釋說，這可以通過光譜調製LED的顏色，以模擬一天中不斷變化的太陽光。
「假設你有一種蛋白質，早上在綠黃色部分非常亮，然後你有另一種蛋白質在橙色部分變得更亮……然後你去睡覺，綠黃色的蛋白質開始恢復。」
Costa稱之為「夢寐以求」，但承認他們正在開發一種可以模擬陽光的LED，並「非常肯定」該技術可以幫助那些在冬天患有季節性情感障礙(SAD)的人，僅英國多達三分之一的人。
太陽能窗戶
隨著世界試圖以可持續的方式應對快速城市化，到2050年全球68%的人口將居住在城市，彩色生物過濾器具有另一種潛在的應用。
Costa和他的團隊剛剛開始研究太陽能窗戶，在兩層玻璃之間會有一塊生物過濾器。
面板中的螢光蛋白將太陽光的高能藍紫外部分轉換為光譜的低能橙紅的一部分，並將其移動到窗口角落的微小太陽能電池，其中USB連接可以讓你給手機和其他設備充電。
據美國科學家稱，未來太陽能窗戶在推動零能耗建築方面的前景一片光明，估計可以使用50-70億平方米的玻璃表面來滿足該國40%的能源需求。
如果僅僅一隻水母能激發出如此眾多的創新，那就想想海洋的其他部分能給我們帶來什麼。Costa加提到蛋白質反射蛋白，它能讓墨魚反射光作為一種偽裝形式，以及水熊，它可以在極端溫度和輻射下生存。
「有許多應用已經存在，我們可以看看並穩定材料，」科斯塔說。 「從自然到技術的橋梁是我們所需要的。」 「自然界中已經有很多很多的應用，也許我們可以觀察並讓這些材料穩定下來。」 Costa說，「我們需要從自然到技術的橋梁。」
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