Открытие почвенных бактерий может позволить нам производить электричество из «разреженного воздуха»

Это может показаться удивительным, но в трудные времена, когда нет другой доступной пищи, некоторые почвенные бактерии могут использовать следы водорода в воздухе в качестве источника энергии.

Фактически, бактерии удаляют ошеломляющие 70 миллионов тонн водорода ежегодно из атмосферы, процесс, который буквально формирует состав воздуха, которым мы дышим.

Мы 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.

Как мы сообщаем в новой статье в журнале Nature, фермент может иметь значительный потенциал для питания небольших устойчивых пневматических устройств в будущее.

Бактериальные гены содержат секрет превращения воздуха в электричество

Вдохновленные этим открытием, мы проанализировали генетический код почвенной бактерии под названием Mycobacterium smegmatis , который потребляет водород из воздуха.

В этих генах записан план производства молекулярная машина, ответственная за потребление водорода и преобразование его в энергию для бактерий. Эта машина представляет собой фермент под названием «гидрогеназа», и мы для краткости назвали его Huc.

Водород — простейшая молекула, состоящая из двух положительно заряженных протонов, соединенных связью, образованной двумя отрицательно заряженными электронами. Huc 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 клетка с энергией.

Текущие электроны — это то, из чего состоит электричество, а это означает, что Huc 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 в воздухе

Мы хотели узнать, как Huc преодолевает эти трудности, поэтому поставили чтобы изолировать его от M. smegmatis клетки.

Процесс для этого был сложным. Сначала мы модифицировали гены M. smegmatis, которые позволяют бактериям вырабатывать этот фермент. При этом мы добавили к Huc особую химическую последовательность, что позволило нам изолировать его от M. smegmatis.

Хорошо рассмотреть Хака было непросто. Потребовалось несколько лет и довольно много экспериментальных тупиков, прежде чем мы, наконец, выделили высококачественный образец оригинального фермента.

Однако тяжелая работа того стоила, так как полученный нами Huc очень стабилен. . Он выдерживает температуры от 80℃ до –80℃ без потери активности.

Молекулярная схема извлечения водорода из воздуха

Выделив Huc, мы приступили к его серьезному изучению, чтобы выяснить, на что именно способен фермент. Как он может превратить водород в воздухе в устойчивый источник электричества?

Примечательно, что мы обнаружили, что даже будучи изолированным от бактерий, Huc может потреблять водород в гораздо более низких концентрациях, чем даже крошечные следы в воздух. На самом деле, Гук по-прежнему потреблял водород, слишком слабый, чтобы его мог обнаружить наш газовый хроматограф — высокочувствительный прибор, который мы используем для измерения концентрации газа.

Мы также обнаружили, что Гук совершенно не ингибируется кислородом, а это свойство не наблюдается в других катализаторах, потребляющих водород.

Чтобы оценить его способность преобразовывать водород в электричество, мы использовали метод, называемый электрохимией. Это показало, что Huc может преобразовывать мельчайшие концентрации водорода в воздухе непосредственно в электричество, которое может питать электрическую цепь. Это замечательное и беспрецедентное достижение для катализатора, потребляющего водород.

Мы использовали несколько передовых методов, чтобы изучить, как Huc 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 с помощью этого метода.

Ферменты могут использовать воздух для питания устройств завтрашнего дня

Эти исследования только начинаются, и необходимо решить несколько технических проблем, чтобы реализовать потенциал Huc.

Во-первых, нам нужно будет значительно увеличить масштабы производства Huc. В лаборатории мы производим Huc в миллиграммах, но мы хотим масштабировать его до граммов и, в конечном счете, килограммов.

Однако наша работа демонстрирует, что Huc функционирует как «природная батарея», производящая постоянный электрический ток от воздуха или добавленного водорода.

В результате у Huc есть значительный потенциал в разработке небольших экологически чистых устройств с воздушным приводом в качестве альтернативы солнечной энергии.

Количество энергии, вырабатываемой водородом в воздухе будет небольшим, но, вероятно, достаточным для питания биометрического монитора, часов, светодиодного глобуса или простого компьютера. С большим количеством водорода Huc производит больше электроэнергии и потенциально может питать более крупные устройства.

Еще одним приложением может стать разработка биоэлектрических датчиков на основе Huc для обнаружения водорода, которые могут быть невероятно чувствительными. Huc может оказаться неоценимым 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 также может привести к развитию технологий будущего.

Крис Грининг, профессор микробиологии, Университет Монаша; Эшли Кропп, аспирант Института биомедицинских открытий Университета Монаша, и Рис Гринтер, заведующий лабораторией Института биомедицинских открытий Университета Монаша

Эта статья перепечатана с сайта The Разговор под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.