Учёные обнаружили фермент, который может превращать воздух в энергию

Учёные, изучающие двоюродного брата бактерий, ответственных за туберкулёз и проказу, обнаружили фермент, который преобразует водород в электричество. Исследователи считают, что данное открытие можно использовать для создания нового, чистого источника энергии буквально из воздуха, сообщает проект LiveScience.

Фермент, получивший название Huc, используется бактерией Mycobacterium smegmatis для извлечения энергии из атмосферного водорода, что позволяет ей выживать в экстремальных условиях, бедных питательными веществами.

Теперь, выделив и изучив фермент, исследователи сообщают, что нашли новый источник энергии, который можно было бы использовать для питания целого ряда небольших портативных электрических устройств. Они опубликовали свои выводы 8 марта в журнале Nature.

«Мы предполагаем, что источник питания, содержащий Huc, мог бы питать целый ряд небольших портативных устройств, контактирующих с воздухом, включая биометрические датчики, мониторы окружающей среды, цифровые часы и калькуляторы или простые компьютеры», — сказал в интервью Live Science ведущий автор Рис Гринтер, микробиолог из Университета Монаша в Австралии.

«Когда вы снабжаете Huc более концентрированным водородом, он вырабатывает больше электрического тока», — добавил он. «Это означает, что вы могли бы использовать его в топливных элементах для питания более сложных устройств, таких как умные часы или смартфоны, более портативные сложные компьютеры и, возможно, даже автомобиль».

M. smegmatis — не патогенная, быстрорастущая бактерия, часто используемая в лаборатории для изучения структуры клеточной стенки своего близкого болезнетворного родственника Mycobacterium tuberculosis. Давно известно, что M. smegmatis, обычно встречающийся в почве по всему миру, преобразует следы водорода в воздухе в энергию. Таким образом, микроб может выживать в самых суровых условиях, включая почвы Антарктики, вулканические кратеры и глубины океана, где практически невозможно найти другое топливо, говорят исследователи.

Но до сих пор исследователям не удавалось понять, как он это делал.

Чтобы исследовать химию, лежащую в основе способности M. smegmatis, учёные сначала выделили фермент Huc, ответственный за этот процесс, с помощью хроматографии — лабораторного метода, который позволяет учёным разделять компоненты смеси. Затем они исследовали атомную структуру фермента с помощью криоэлектронной микроскопии — метода, который принёс его создателям Нобелевскую премию по химии за 2017 год. Путём излучения электронов на замороженный образец Huc, который был собран из M. smegmatis, исследователи нанесли на карту атомную структуру фермента и электрические пути, которые он использует для переноса электронов так, чтобы они образовывали ток.

Команда обнаружила, что в центре Huc есть структура, называемая активным центром, которая содержит заряженные ионы никеля и железа. Как только молекулы водорода (состоящие из двух протонов и двух электронов) попадают в активный центр, они оказываются в ловушке между ионами никеля и железа и лишаются своих электронов. Затем фермент посылает эти электроны потоком, генерируя ток.

«Электроны поглощаются Huc (в частности, ионом никеля) и переносятся на поверхность Huc (молекулярной проволокой, образованной кластерами ионов железа и серы)», — сказал Гринтер. «Если мы иммобилизуем Huc на электроде, электроны могут попасть в электрическую цепь с поверхности фермента и генерировать ток».

Дальнейшие эксперименты показали, что:

• Выделенный фермент Huc может храниться в течение длительного времени;
• Так же он выдерживает замораживание или нагревание до 80 ℃;
• Он может потреблять водород в концентрациях, составляющих всего 0,00005% от концентрации, содержащейся в воздухе, которым мы дышим.

По словам исследователей, эти свойства, наряду с вездесущностью микроба и способностью легко выращиваться, могут сделать фермент идеальным кандидатом для использования в качестве источника питания в органических батареях.

«Huc может извлекать энергию из водорода в воздухе, которая фактически безгранична», — сказал Гринтер. «Количество электроэнергии, которое может быть произведено за счёт низких концентраций водорода в воздухе, будет скромным. Это ограничит применение Huc в данном контексте устройствами, которым требуется небольшое, но устойчивое количество энергии. Дополнительным применением Huc было бы использование в топливных элементах, где обеспечивается более высокая концентрация водорода».