Ученые выделили фермент, который позволяет некоторым бактериям потреблять водород и извлекать из него энергию, и обнаружили, что он может производить электрический ток непосредственно при воздействии даже незначительного количества водорода. Этот фермент может иметь значительный потенциал для питания небольших устойчивых пневматических устройств в будущем, пишет Science Alret.
Это может показаться удивительным, но в трудные времена, когда нет другой доступной пищи, некоторые почвенные бактерии могут потреблять водород воздуха в качестве источника энергии. Фактически, бактерии ежегодно удаляют из атмосферы 70 миллионов тонн водорода, и этот процесс буквально формирует состав воздуха, которым мы дышим.
Секрет превращения воздуха в электричество
Вдохновленные этим открытием, ученые проанализировали генетический код почвенной бактерии под названием Mycobacterium smegmatis, которая потребляет водород из воздуха.
В этих генах заложен план создания молекулярной машины, ответственной за потребление водорода и преобразование его в энергию для бактерий. Эта машина представляет собой фермент под названием «гидрогеназа», и ученые для краткости назвали его «Хак».
Водород — простейшая молекула, состоящая из двух атомов водорода, удерживаемых вместе связью, образованной двумя отрицательно заряженными электронами. Хак разрывает эту связь, протоны расходятся, и электроны высвобождаются.
В бактериях эти свободные электроны затем попадают в сложную цепь, называемую «цепью переноса электронов», и используются для обеспечения клетки энергией.
Текущие электроны — это то, из чего состоит электричество, а это означает, что Хак напрямую преобразует водород в электрический ток.
Водород составляет всего 0,00005 процента атмосферы. Потребление этого газа в таких низких концентрациях представляет собой сложную задачу, которую не может решить ни один известный катализатор. Кроме того, кислород, которого много в атмосфере, отравляет активность большинства катализаторов, потребляющих водород.
Выделение фермента, позволяющего бактериям жить на воздухе
Ученые хотели узнать, как Хак справляется с этими проблемами, поэтому решили изолировать его от клеток M. smegmatis.
Процесс для этого был сложным. Сначала они модифицировали гены M. smegmatis, которые позволяют бактериям производить этот фермент. При этом ученіе добавили к Хак специфическую химическую последовательность, что позволило им изолировать его от клеток M. smegmatis.
Разглядеть Хак было непросто. Потребовалось несколько лет и немало экспериментальных тупиков, прежде чем ученые, наконец, выделили высококачественный образец оригинального фермента.
Однако тяжелая работа того стоила, так как Хак, который они в итоге произвели, очень стабилен. Он выдерживает температуры от 80℃ до –80℃ без потери активности.
Молекулярный план извлечения водорода из воздуха
Выделив Хак, ученые приступили к его серьезному изучению, чтобы выяснить, на что именно способен этот фермент. Как он может превратить водород в воздухе в устойчивый источник электроэнергии?
Примечательно, что они обнаружили, что даже будучи изолированным от бактерий, Хак может потреблять водород в концентрациях, намного меньших, чем даже крошечные следы в воздухе. На самом деле, Хак по-прежнему поглощал запахи водорода, слишком слабые, чтобы их мог обнаружить газовый хроматограф — высокочувствительный прибор, который ученые используют для измерения концентрации газа.
Они также обнаружили, что Хак полностью не ингибируется кислородом, что не наблюдается у других катализаторов, потребляющих водород.
Чтобы оценить его способность преобразовывать водород в электричество, ученые использовали технику, называемую электрохимией. Это показало, что Хак может преобразовывать мельчайшие концентрации водорода в воздухе непосредственно в электричество, которое может питать электрическую цепь. Это замечательное и беспрецедентное достижение для катализатора, потребляющего водород.
Далее использовались несколько передовых методов для изучения того, как Хак делает это на молекулярном уровне. К ним относятся расширенная микроскопия (криогенная электронная микроскопия) и спектроскопия для определения его атомной структуры и электрических путей, раздвигая границы для получения структуры фермента с самым высоким разрешением, о которой когда-либо сообщалось этим методом.
Ферменты могут использовать воздух для питания устройств в будущем
Это исследование только начинается, и необходимо решить несколько технических проблем, чтобы реализовать потенциал Хак.
Во-первых, нужно будет значительно увеличить масштабы производства Хак. В лаборатории ученые производят Хак в количестве миллиграммов, но хотят масштабировать его до граммов и, в конечном счете, до килограммов.
Однако их работа демонстрирует, что Хак функционирует как «естественная батарея», производящая постоянный электрический ток из воздуха или добавленного водорода. В результате у Хак есть значительный потенциал в разработке небольших устойчивых устройств с воздушным питанием в качестве альтернативы солнечной энергии.
Количество энергии, выделяемой водородом в воздухе, будет небольшим, но, вероятно, достаточным для питания биометрического монитора, часов, светодиодного глобуса или простого компьютера. С большим количеством водорода Хак производит больше электроэнергии и потенциально может питать более крупные устройства.
Еще одним приложением будет разработка биоэлектрических датчиков на основе Хак для обнаружения водорода, которые могут быть невероятно чувствительными. Хак может быть незаменим для обнаружения утечек в инфраструктуре нашей бурно развивающейся водородной экономики или в медицинских учреждениях.
«Короче говоря, это исследование показывает, как фундаментальное открытие о том, как бактерии в почве питаются, может привести к переосмыслению химии жизни. В конечном итоге это может также привести к развитию технологий будущего», – подытожили ученые.