Допомогли бактерії. Вчені відкрили спосіб отримувати електрику з повітря

Вчені виділили фермент, який дозволяє деяким бактеріям споживати водень і видобувати з нього енергію, і виявили, що він може виробляти електричний струм безпосередньо при дії навіть незначної кількості водню. Цей фермент може мати значний потенціал для живлення невеликих стійких пневматичних пристроїв у майбутньому, пише Science Alret.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та захопливі новини зі світу науки!

Це може здатися дивним, але у важкі часи, коли немає іншої доступної їжі, деякі ґрунтові бактерії можуть споживати водень з повітря як джерело енергії. Фактично бактерії щорічно видаляють з атмосфери 70 мільйонів тонн водню, і цей процес буквально формує склад повітря, яким ми дихаємо.

Секрет перетворення повітря на електрику

Натхненні цим відкриттям вчені проаналізували генетичний код ґрунтової бактерії під назвою Mycobacterium smegmatis, яка споживає водень з повітря.

У цих генах закладено план створення молекулярної машини, відповідальної споживання водню і перетворення їх у енергію для бактерій. Ця машина є ферментом під назвою "гідрогеназа", і вчені для стислості назвали його "Хак".

Водень — найпростіша молекула, що складається з двох атомів водню, що утримуються разом зв'язком, утвореним двома негативно зарядженими електронами. Хак розриває цей зв'язок, протони розходяться, і електрони вивільняються.

У бактеріях ці вільні електрони потім потрапляють у складний ланцюг, званий "ланцюгом перенесення електронів", і використовуються для забезпечення клітини енергією.

Поточні електрони — це те, з чого складається електрика, а це означає, що Хак безпосередньо перетворює водень на електричний струм.

Водень складає лише 0,00005 відсотка атмосфери. Споживання цього газу в таких низьких концентраціях є складним завданням, яке не може вирішити жоден відомий каталізатор. Крім того, кисень, якого багато в атмосфері, отруює активність більшості каталізаторів, що споживають водень.

Виділення ферменту, що дозволяє бактеріям жити на повітрі

Вчені хотіли дізнатися, як Хак справляється із цими проблемами, тому вирішили ізолювати його від клітин M. smegmatis.

Процес для цього був складним. Спочатку модифікували гени M. smegmatis, які дозволяють бактеріям виробляти цей фермент. При цьому вчення додали до Хак специфічну хімічну послідовність, що дозволило їм ізолювати його від клітин M. smegmatis.

Роздивитись Хак було непросто. Потрібно було кілька років і чимало експериментальних глухих кутів, перш ніж вчені нарешті виділили високоякісний зразок оригінального ферменту.

Однак важка робота того вартувала, оскільки Хак, який вони зрештою зробили, дуже стабільний. Він витримує температури від 80 до -80℃ без втрати активності.

Молекулярний план вилучення водню з повітря

Виділивши Хак, вчені розпочали його серйозне вивчення, щоб з'ясувати, на що саме здатний цей фермент. Як він може перетворити водень у повітрі на стійке джерело електроенергії?

Примітно, що вони виявили, що, навіть будучи ізольованим від бактерій, Хак може споживати водень у концентраціях, набагато менших, ніж навіть крихітні сліди в повітрі. Насправді Хак, як і раніше, поглинав запахи водню, надто слабкі, щоб їх міг виявити газовий хроматограф — високочутливий прилад, який вчені використовують для вимірювання концентрації газу.

Вони також виявили, що Хак повністю не пригнічується киснем, що не спостерігається в інших каталізаторів, що споживають водень.

Щоб оцінити його здатність перетворювати водень на електрику, вчені використовували техніку, яка називається електрохімією. Це показало, що Хак може перетворювати дрібні концентрації водню в повітрі безпосередньо в електрику, яка може живити електричний ланцюг. Це чудове та безпрецедентне досягнення для каталізатора, що споживає водень.

Далі використовувалися кілька передових методів вивчення того, як Хак робить це на молекулярному рівні. До них належить розширена мікроскопія (криогенна електронна мікроскопія) і спектроскопія для визначення його атомної структури та електричних шляхів, розсовуючи межі для отримання структури ферменту з найвищим дозволом, про яку колись повідомлялося цим методом.

Ферменти можуть використовувати повітря для живлення пристроїв у майбутньому

Це дослідження тільки починається, і потрібно вирішити кілька технічних проблем, щоб реалізувати потенціал Хак.

По-перше, потрібно буде значно збільшити масштаб виробництва Хак. У лабораторії вчені виробляють Хак у кількості міліграмів, але хочуть масштабувати його до грамів і, зрештою, до кілограмів.

Проте їхня робота демонструє, що Хак функціонує як "природна батарея", що виробляє постійний електричний струм із повітря або доданого водню. В результаті Хак має значний потенціал у розробці невеликих стійких пристроїв з повітряним живленням як альтернативу сонячній енергії.

Кількість енергії, що виділяється воднем у повітрі, буде невеликою, але, ймовірно, достатньою для живлення біометричного монітора, годинника, світлодіодного глобуса або простого комп'ютера. З великою кількістю водню Хак виробляє більше електроенергії та потенційно може живити більші пристрої.

Ще однією програмою буде розробка біоелектричних датчиків на основі Хак для виявлення водню, які можуть бути неймовірно чутливими. Хак може бути незамінним для виявлення витоків в інфраструктурі нашої водневої економіки, що бурхливо розвивається, або в медичних установах.

"Короче кажучи, це дослідження показує, як фундаментальне відкриття про те, як бактерії в ґрунті живляться, може призвести до переосмислення хімії життя. Зрештою, це може також призвести до розвитку технологій майбутнього", — підсумували вчені.

Раніше Фокус писав про те, чому одержання термоядерної енергії відтяглося на роки. Крайній термін для створення плазми, необхідної для термоядерного синтезу, щоб отримати майже безмежну енергію, було зміщено.