Учёные, изучающие двоюродных братьев бактерий, ответственных за туберкулёз и проказу, обнаружили фермент, который превращает водород в электричество, — сейчас они думают, что его можно использовать для создания нового, чистого источника энергии буквально из воздуха.
Фермент, получивший название Huc, используется бактерией Mycobacterium smegmatis для извлечения энергии из атмосферного водорода, что позволяет ей выживать в экстремальных условиях с низким содержанием питательных веществ.
Теперь, извлекая и изучая фермент, исследователи говорят, что нашли новый источник энергии, который можно использовать для питания целого ряда небольших портативных электрических устройств. Свои выводы они опубликовали 8 марта в журнале Nature.
«Мы предполагаем, что источник питания, содержащий Huc, может, используя воздух, питать ряд небольших портативных устройств, среди которых биометрические датчики, мониторы окружающей среды, цифровые часы, калькуляторы или простые компьютеры», — сказал Live Science ведущий автор исследования Рис Гринтер (Rhys Grinter), микробиолог из Университета Монаша в Австралии.
«Когда вы снабжаете Huc более концентрированным водородом, он производит больше электрического тока, — объяснил специалист. — Это означает, что вы можете использовать его в топливных элементах для питания более сложных устройств, таких как смарт-часы или смартфоны, более портативные сложные компьютеры и, возможно, даже автомобиль.»
Mycobacterium smegmatis — это непатогенная, быстрорастущая бактерия, которую часто используют в лаборатории для изучения структуры клеточной стенки её близкого болезнетворного родственника Mycobacterium tuberculosis. Давно известно, что Mycobacterium smegmatis, обычно встречающаяся в почве во всём мире, преобразует следы водорода в воздухе в энергию; таким образом микроб может выжить в самых суровых условиях, включая антарктическую почву, вулканические кратеры и глубокие океанские глубины, где мало другого топлива, говорят исследователи.
Но до сих пор то, как Mycobacterium smegmatis это делала, оставалось загадкой.
Чтобы исследовать химию, лежащую в основе шокирующей способности Mycobacterium 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 в 2017 году принёс его создателям Нобелевскую премию по химии. Направляя электроны на замороженный образец Huc, который был собран из Mycobacterium smegmatis, исследователи наметили атомную структуру фермента и электрические пути, которые он использует для переноса электронов, чтобы они образовывали ток.
Команда учёных обнаружила, что в своём центре Huc имеет структуру, называемую 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 в виде потока для генерации тока.
«Электроны поглощаются Huc (в частности, ионом никеля) и переносятся на поверхность Huc (молекулярной проводкой, образованной кластерами ионов железа и серы), — сказал Гринтер. — Если мы иммобилизуем Huc на электроде, электроны могут попасть в электрическую цепь с поверхности фермента и сгенерировать ток.»
Дальнейшие эксперименты показали, что выделенный фермент Huc может храниться в течение длительного времени; что он выдерживает замораживание или нагревание до 176 градусов по Фаренгейту (80 градусов по Цельсию); и что он в состоянии потреблять водород в таких ничтожных концентрациях, как 0,00005% от концентрации, содержащейся в воздухе, которым мы дышим. Исследователи говорят, что эти свойства, наряду с вездесущностью микроба и способностью к лёгкому выращиванию, могут сделать фермент идеальным кандидатом на роль источника энергии в органических батареях.
«Huc может извлекать энергию из водорода в воздухе, который фактически безграничен, — сказал Гринтер. — Количество электроэнергии, которое может быть получено из низких концентраций водорода в воздухе, будет скромным. Это ограничит применение Huc в данном контексте устройствами, которым требуется небольшое, но постоянное количество энергии. Дополнительно Huc можно будет использовать в топливных элементах, где обеспечивается более высокая концентрация водорода.»
