Открытие фермента, превращающего воздух в электричество, потенциальный новый источник чистой энергии
Мировой энергетический кризис не ослабевает, пока мы пытаемся сократить использование ископаемого топлива. Возобновляемые источники энергии все еще имеют пробелы в производстве и хранении, а ядерная энергетика вызывает разногласия, как и ветряные турбины. Недавно исследователи обнаружили новый фермент, способный вырабатывать электричество просто из воздуха. Он может быть использован в качестве природного аккумулятора и открывает путь к созданию электронных устройств, работающих буквально на воздухе!
Различные аэробные бактерии (использующие кислород для своего метаболизма) используют атмосферный водород (H2) в качестве источника энергии для своего роста и выживания, когда среда обитания бедна питательными веществами.
На долю бактерий с такой способностью приходится 75% (около 60 Тг) общего количества H2, ежегодно удаляемого из атмосферы. Таким образом, этот глобально важный процесс регулирует состав атмосферы, а также улучшает биоразнообразие почвы и стимулирует первичное производство в экстремальных условиях.
Однако до сих пор механизм, с помощью которого бактерии выживают, используя водород и перенося воздействие O2 (который подавляет реакцию), оставался загадкой для ученых. Недавно австралийские исследователи обнаружили фермент (присутствующий у этого вида бактерий), способный преобразовывать воздух в энергию. Они обнаружили, что фермент, названный Huc, использует небольшое количество водорода в воздухе для производства электрического тока, предполагая будущее использование в устройствах, которые обеспечивают "буквально энергию из ничего", по словам авторов. Их работа опубликована в журнале Nature.
Обычная бактерия и ее "электрический" фермент
Следует отметить, что недавняя работа команды показала, что многие бактерии используют водород из атмосферы в качестве источника энергии в бедных питательными веществами средах, как уже упоминалось ранее.
Профессор Крис Грининг из Института биомедицинских открытий Университета Монаша в Мельбурне, Австралия, поясняет в своем : "[Этот механизм помогает бактериям] расти и выживать, в том числе в почвах Антарктики, вулканических кратерах и на глубине океана. Но до сих пор мы не знали, как они это делают".
Команда исследователей сосредоточила свое внимание на распространенной бактерии Mycobacterium smegmatis, обитающей в почве. Она не вызывает заболеваний и относительно хорошо изучена, поскольку используется в качестве модельного организма для туберкулеза.
В частности, группа должна была выделить фермент Huc из этой бактерии, что, как объясняет доктор Рис Гринтер из Университета Монаша, является непростой задачей. Им пришлось разработать "ряд новых методов, чтобы сначала вырастить бактерии, затем "открыть" их и с помощью химии попытаться выделить этот уникальный компонент".
Для этого они использовали передовую микроскопию (крио-ЭМ), чтобы определить атомную структуру и электрические пути фермента. Они также использовали технику, называемую электрохимией, чтобы продемонстрировать, что очищенный фермент вырабатывает электричество при ничтожных концентрациях водорода.
Проще говоря, фермент Huc функционирует как поглотитель водородного газа и, в отличие от всех других известных ферментов и химических катализаторов, он может потреблять газ на уровне ниже атмосферного - всего 0,00005% воздуха, которым мы дышим. Таким образом, его можно считать аналогом природной батарейки, вырабатывающей небольшой электрический ток из добавленного воздуха или водорода.
Результаты показывают, что очищенный фермент можно хранить в течение длительного времени. Докторант Эшли Кропп добавляет: "Он удивительно стабилен. Вы можете заморозить фермент или нагреть его до 80 градусов Цельсия, и он сохранит свою способность вырабатывать энергию".
Как можно использовать фермент Huc в контексте энергетического и климатического кризиса?
Доктор Гринтер объясняет, что существует ряд потенциальных применений, которые еще требуют большой работы, но путь исследования ясен.
Во-первых, фермент можно использовать для создания небольших устройств, работающих на сжатом воздухе, например, в качестве альтернативы устройствам, работающим на солнечной энергии. Однако эти устройства должны быть оснащены большим количеством водорода, чем атмосферная концентрация, чтобы Huc мог производить достаточное количество энергии.