Bakterije uklanjaju nevjerojatnih 70 milijuna tona vodika godišnje iz Zemljine atmosfere, a riječ je o procesu koji doslovno oblikuje sastav zraka koji udišemo.
Kada su teška vremena i nema druge dostupne hrane, neke bakterije u tlu mogu konzumirati tragove vodika u zraku kao izvor energije. Tim znanstvenika s australskog Sveučilišta Monash izolirao je enzim koji omogućuje nekim bakterijama da konzumiraju vodik i izvlače energiju iz njega, a najzanimljiviji dio otkrića jest da taj enzim može proizvesti električnu struju izravno, kad je izložen čak i malim količinama vodika. Njihova studija objavljena je u znanstvenom časopisu Nature.
Autori te studije, profesor mikrobiologije Chris Greening, postdoktorandica Ashleigh Kropp i Rhys Grinter, šef laboratorija na Institutu za biomedicinska otkrića Sveučilišta Monash, za The Conversation pišu da bi taj enzim mogao imati značajan potencijal za napajanje malih, održivih uređaja izravno iz zraka u budućnosti.
Tajna pretvaranja zraka u elektricitet
Ponukani otkrićem, navedeni australski znanstvenici su analizirali genetski kod bakterije Mycobacterium smegmatis iz tla, koja troši vodik iz zraka kako bi se prehranila.
U genima te bakterije je zapisan nacrt za proizvodnju molekularnog stroja odgovornog za potrošnju vodika i njegovu pretvorbu u energiju za bakteriju. Riječ je o enzimu "hidrogenazi", pišu australski znanstvenici, koji su ga nazvali Huc.
Vodik je najjednostavnija molekula, sastavljena od dva pozitivno nabijena protona koji se drže zajedno vezom koju čine dva negativno nabijena elektrona. Huc prekida ovu vezu, protoni se razdvajaju i elektroni se oslobađaju. U bakterijama, ti slobodni elektroni zatim teku u složeni krug koji se naziva "transportni lanac elektrona" i koriste se za opskrbu stanice energijom. Protočni elektroni su ono od čega se sastoji električna energija, što znači da Huc izravno pretvara vodik u električnu struju, pojašnjavaju Greening, Kropp i Grinter.
Vodik zapravo predstavlja tek 0,00005 posto Zemljine atmosfere. Potrošnja tog plina u tako niskim koncentracijama je ogroman izazov, koji nijedan poznati katalizator ne može postići, tvrde australski znanstvenici. Isto tako, kisik, kojeg ima u izobilju u atmosferi, truje aktivnost većine katalizatora koji troše vodik, dodaju.
Težak i dugotrajan proces izolacije tog čudesnog enzima
Htjeli smo znati kako Huc svladava te izazove, pa smo ga krenuli izolirati iz stanica M. smegmatis. Postupak za to bio je kompliciran. Prvo smo modificirali gene u M. smegmatis koji omogućuju bakterijama da stvaraju ovaj enzim. Čineći to, dodali smo specifičnu kemijsku sekvencu Hucu, što nam je omogućilo da ga izoliramo iz stanica M. smegmatis, pišu autori istraživanja, koji dodaju da je zapravo proces bio težak i dugotrajan.
Nije bilo lako dobro pogledati Huca. Bilo je potrebno nekoliko godina i dosta eksperimentalnih slijepih ulica prije nego što smo konačno izolirali visokokvalitetni uzorak genijalnog enzima. Međutim, naporan rad se isplatio, jer je Huc koji smo na kraju proizveli vrlo stabilan. Podnosi temperature od 80 ℃ do –80 ℃ bez gubitka aktivnosti, pišu australski znanstvenici.
Potpuno nesputan kisikom
Nakon što su izloirali taj enzim, počeli su s njegovim ozbiljnim proučavanjem, kako bi otkrili za što je točno taj enzim sposoban i kako može pretvoriti vodik u zraku u održivi izvor električne energije.
Nevjerojatno, otkrili smo da čak i kada je izoliran od bakterija, Huc može konzumirati vodik u koncentracijama daleko nižim čak i od sićušnih tragova u zraku. Zapravo, Huc je još uvijek konzumirao dašak vodika preslab da bi ga otkrio naš plinski kromatograf, vrlo osjetljiv instrument koji koristimo za mjerenje koncentracije plina. Također smo otkrili da je Huc potpuno nesputan kisikom, što je svojstvo koje nije viđeno kod drugih katalizatora koji troše vodik, objašnjavaju autori studije.
Kako bi procijenili njegovu sposobnost pretvaranja vodika u električnu energiju, upotrijebili su tehniku elektrokemije. To je pak pokazalo da hidrogenaza može pretvoriti male koncentracije vodika u zraku, izravno u električnu energiju, koja pak zauzvrat može napajati električni strujni krug.
Ovo je izvanredno postignuće bez presedana za katalizator koji troši vodik, naglašavaju Greening, Kropp i Grinter.
Za proučvanje kako taj enzim to radi na molekularnoj razini, australski znanstvenici su koristili nekoliko vrhunskih metoda, koje su uključivale naprednu mikroskopiju (kriogena elektronska mikroskopija) i spektroskopiju za određivanje njegove atomske strukture i električnih putova, kako bi se proizvela najrazlučivija enzimska struktura dosad zabilježena tom metodom.
Put prema ostvarivanju punog potencijala tog enzima
Kako bi se ostvario puni potencijal tog enzima, potrebno je ipak prevladati nekoliko tehničkih izazova, kažu autori istraživanja.
Kao prvo, morat ćemo značajno povećati opseg proizvodnje Huca. U laboratoriju proizvodimo Huc u količinama miligrama, ali to želimo povećati na grame i konačno kilograme, naglašavaju.
Njihovo istraživanje pokazuje da hidrogenaza funkcionira poput "prirodne baterije" koja proizvodi stalnu električnu struju iz zraka ili dodanog vodika. Kao rezultat toga, taj enzim ima značajan potencijal u razvoju malih, održivih uređaja na zračni pogon kao alternativu solarnoj energiji.
Količina energije koju ima vodik u zraku bila bi mala, ali vjerojatno dovoljna za napajanje biometrijskog monitora, sata, LED globusa ili jednostavnog računala. Uz više vodika, Huc proizvodi više električne energije i potencijalno bi mogao pokretati veće uređaje, pišu Greening, Kropp i Grinter te navode i druge moguće primjene.
Druga bi primjena bila razvoj bioelektričnih senzora na bazi Huca za detekciju vodika, koji bi mogli biti nevjerojatno osjetljivi. Huc bi mogao biti neprocjenjiv za otkrivanje curenja u infrastrukturi naše rastuće ekonomije vodika ili u medicinskom okruženju, ističu.
U konačnici, njihovo istraživanje pokazuje kako temeljno otkriće o tome kako se bakterije u tlu hrane same, može dovesti do ponovnog osmišljavanja kemije života. Da ane spominjemo da to isto tako može dovesti do razvoja novih tehnologija za budućnost.
Izvor: The Conversation
