O bacterie din sol ar putea permite producția de electricitate din aer

Poate suna surprinzător, dar atunci când vremurile sunt grele și nu există alte alimente disponibile, unele bacterii din sol pot consuma urme de hidrogen din aer ca sursă de energie. Acest lucru poate fi folosit pentru a produce electricitate din aer.

Bacteriile elimină anual 70 de milioane de tone de hidrogen din atmosferă, un proces care modelează literalmente compoziția aerului pe care îl respirăm.

Cercetătorii au izolat o enzimă care le permite unor bacterii să consume hidrogen și să extragă energie din acesta și au descoperit că enzima poate produce direct curent electric chiar și atunci când este expusă la cantități mici de hidrogen.

După cum au raportat oamenii de știiință într-o nouă lucrare din Nature, enzima poate avea un potențial considerabil în alimentarea de dispozitive mici, sustenabile, folosind aer.

Cum poate o bacterie să producă electricitate din aer?

Impulsionați de această descoperire, cercetătorii au analizat codul genetic al unei bacterii din sol numită Mycobacterium smegmatis, care consumă hidrogen din aer.

Scris în aceste gene este proiectul pentru producerea mașinăriei moleculare responsabilă de consumul de hidrogen și transformarea acestuia în energie pentru bacterie. Această mașinărie este o enzimă numită „hidrogenază” și a fost numită pe scurt „Huc”.

Hidrogenul este cea mai simplă moleculă, formată din doi protoni încărcați pozitiv ținuți împreună printr-o legătură formată din doi electroni încărcați negativ. Huc rupe această legătură, protonii se despart și electronii sunt eliberați, scrie Science Alert.

În bacterii, acești electroni liberi curg apoi într-un circuit complex numit „lanț de transport de electroni” și sunt folosiți pentru a-i furniza energie celulei.

Electricitatea înseamnă electroni care curg, ceea ce înseamnă că Huc produce electricitate din aer.

Enzima se folosește chiar și de cele mai scăzute concentrații de hidrogen

Hidrogenul reprezintă doar 0,00005% din atmosferă. Consumul acestui gaz la aceste concentrații scăzute este o provocare formidabilă, pe care nici un catalizator cunoscut nu o poate realiza. În plus, oxigenul, care este din abundență în atmosferă, otrăvește activitatea majorității catalizatorilor care consumă hidrogen.

Cercetătorii au vrut să știe cum depășește Huc aceste provocări, așa că și-au propus să o izoleze de celulele M. smegmatis.

Procesul pentru a face acest lucru a fost complicat. Oamenii de știință au modificat mai întâi genele din M. smegmatis care le permit bacteriilor să producă această enzimă. Făcând acest lucru, au adăugat o secvență chimică specifică la Huc, ceea ce le-a permis să o izoleze din celulele M. smegmatis.

O privire atentă asupra Huc nu a fost ușoară. Au durat câțiva ani și destul de multe fundături experimentale până când cercetătorii au izolat în sfârșit o probă de înaltă calitate a enzimei.

Însă toată munca a meritat, deoarece enzima Huc produsă în cele din urmă este foarte stabilă. Rezistă la temperaturi de la 80℃ până la –80℃ fără pierderi de activitate.

Mecanismul prin care Huc produce electricitate din aer

Cu Huc izolată, oamenii de știință au început să-l studieze în aprofunzime, pentru a descoperi de ce anume este capabilă enzima. Cum poate produce electricitate din aer?

În mod remarcabil, ei au descoperit că, chiar și atunci când este izolată de bacterii, Huc poate consuma hidrogen la concentrații mult mai mici, chiar și față de urmele minuscule din aer. De fapt, Huc încă consuma mirosuri de hidrogen prea slabe pentru a fi detectate de gaz-cromatograful din laborator, un instrument extrem de sensibil folosit pentru a măsura concentrațiile de gaze.

Cercetătorii au mai descoperit și că Huc nu este afectată de oxigen, o proprietate care nu este văzută la alți catalizatori care consumă hidrogen.

Pentru a-i evalua capacitatea de a converti hidrogenul în electricitate, a fost folosită o tehnică numită electrochimie. Acest lucru a arătat că Huc poate converti concentrațiile minuscule de hidrogen din aer direct în energie electrică, care poate alimenta un circuit electric. Aceasta este o realizare remarcabilă și fără precedent pentru un catalizator consumator de hidrogen.

Oamenii de știință au folosit mai multe metode de ultimă generație pentru a studia modul în care Huc face acest lucru la nivel molecular. Acestea au inclus microscopia avansată (microscopie electronică criogenică) și spectroscopie pentru a determina structura atomică și căile electrice ale acesteia, pentru a produce structura enzimatică cu cea mai mare rezoluție raportată până acum prin această metodă.

Ce potențial are descoperirea?

Această cercetare este abia la început și trebuie depășite mai multe provocări tehnice pentru a atinge întreg potențialul enzimei Huc.

În primul rând, va trebui ca scara producției de Huc să crească semnificativ. În laborator, Huc este produsă în cantități de câteva miligrame, dar cercetătorii vor să crească această cantitate la grame și, în cele din urmă, la kilograme.

Munca oameniilor de știință demonstrează totuși că Huc funcționează ca o „baterie naturală” producând un curent electric susținut din aer sau hidrogen adăugat. Ca rezultat, Huc are un potențial considerabil în dezvoltarea dispozitivelor mici, sustenabile, alimentate cu aer, ca alternativă la energia solară.

Huc ar putea alimenta dispozitivele viitorului

Cantitatea de energie furnizată de hidrogenul din aer ar fi mică, dar probabil suficientă pentru a alimenta un monitor biometric, un ceas, un LED sau un computer simplu. Cu mai mult hidrogen, Huc produce mai multă electricitate și ar putea alimenta dispozitive mai mari.

O altă aplicație ar fi dezvoltarea unor senzori bioelectrici bazați pe Huc pentru detectarea hidrogenului, care ar putea fi incredibil de sensibili. Huc ar putea fi de neprețuit pentru detectarea scurgerilor în infrastructura economiei de hidrogen în plină dezvoltare sau într-un cadru medical.

Pe scurt, această cercetare arată cum o descoperire fundamentală despre modul în care se hrănesc bacteriile din sol poate duce la o reimaginare a chimiei vieții. În cele din urmă, poate duce și la dezvoltarea de tehnologii pentru viitor.

Vă recomandăm să citiți și:

Cercetătorii lucrează la lentilele de contact cu navigație GPS

Blue Origin susține că a dezvoltat o tehnică ce permite „energie solară nelimitată”

NASA folosește Inteligența Artificială pentru a proiecta nave spațiale „evoluate”

Aerogelul cu uraniu ar putea fi motorul de care avem nevoie pentru colonizarea spațiului