Enzym, který získá energii ze vzduchu

Vědci, kteří studují bratrance bakterie zodpovědné za tuberkulózu a lepru, v něm objevili enzym, který umí z vodíku udělat elektřinu. A myslí si, že by se mohl použít k vytvoření nového, čistého zdroje energie - energie doslova z ničeho. Enzym byl pojmenován Huc. Používá jej bakterie Mycobacterium smegmatis k čerpání energie z atmosférického vodíku, což jí umožňuje přežít v extrémním prostředí chudém na živiny. Nyní se vědcům podařilo enzym extrahovat a studovat jej. Věří, že tím našli klíč k novému zdroji energie, který by mohl být použit k napájení např. malých přenosných elektrických zařízení. Svá zjištění zveřejnili 8. března 2023 v časopise Nature.

„Představujeme si, že zdroj energie obsahující Huc by mohl pomocí vzduchu napájet řadu malých zařízení, včetně biometrických senzorů, monitorů prostředí, digitálních hodin a kalkulaček nebo jednoduchých počítačů,“ říká vedoucí autor Rhys Grinter, mikrobiolog na Monash University v Austrálii. „Když poskytnete Huc koncentrovanější vodík, produkuje více elektrického proudu. Což znamená, že byste jej posléze mohli použít i v palivových článcích k napájení složitějších zařízení, jako jsou chytré hodinky nebo smartphony, přenosné počítače a v budoucnu možná i automobily.“ 

Bakterie

Mycobakterium smegmatis je nepatogenní, rychle rostoucí bakterie často používaná v laboratoři ke studiu struktury buněčné stěny svého blízkého, chorobu způsobujícího příbuzného, Mycobacterium tuberculosis. M. smegmatis, který se běžně vyskytuje v půdě po celém světě, je již dlouho znám tím, že přeměňuje stopový vodík ve vzduchu na energii; Tímto způsobem může mikrob přežít v nejnáročnějších prostředích, včetně antarktických půd, sopečných kráterů a hlubokého oceánu, kde lze nalézt jen málo jiného krmiva. Ale až dosud bylo velkou záhadou, jak to M. smegmatis dělá. 

Chemie 

Aby vědci prozkoumali chemii za úžasnou schopností M. smegmatis, nejprve izolovali přítomné enzymy pomocí chromatografie – laboratorní techniky, která umožňuje oddělit složky směsi. Poté zkoumali atomovou strukturu enzymu pomocí kryoelektronové mikroskopie. (Kryoelektronový mikroskop umožňuje zobrazení buněk, virů nebo proteinových komplexů v téměř atomovém rozlišení. Principem metody je velmi rychlé (za 10⁻⁴ až 10⁻⁶ sekundy) ochlazení zavodněného vzorku na teplotu kolem –200 °C a ponoření do kapalného etanu nebo směsi kapalného etanu a propanu. Ve vodě obsažené ve vzorku se nestihne vytvořit krystalová mřížka a nedojde k jeho deformaci. Technika tvůrcům v roce 2017 vynesla Nobelovu cenu za chemii.) Proudem elektronů na zmrzlý vzorek Huc, který byl odebrán z M. smegmatis, vědci zmapovali atomovou strukturu enzymu a elektrické dráhy, které používá k přenosu elektronů. Zjistili, že ve svém středu má Huc strukturu, nazývanou aktivní místo, které obsahuje nabité ionty niklu a železa. Jakmile molekuly vodíku (tvořené dvěma protony a dvěma elektrony) vstoupí do aktivního místa, jsou zachyceny mezi ionty niklu a železa a jsou zbaveny svých elektronů. Enzym pak posílá tyto elektrony dál, čímž vznikne elektrický proud. Niklový iont enzymu Huc absorbuje elektrony a přenáší je na povrch Huc molekulární dráhou - „drátem“ - tvořeným shluky iontů železa a síry. Pokud imobilizujeme Huc na elektrodě, elektrony mohou z povrchu enzymu vstoupit do elektrického obvodu a generovat proud. 

Huc vyrobí jen málo energie - ale je to teprve začátek

Další experimenty ukázaly, že izolovaný enzym Huc může být skladován po delší dobu; že přežije zmrazení nebo zahřátí na 80 °C; a že může spotřebovávat vodík i v koncentracích nepatrných, jen 0,000 05 % toho, co se nachází ve vzduchu, který dýcháme. Tyto atributy, spolu s všudypřítomností mikrobů a schopností je snadno pěstovat, by mohly enzym učinit ideálním kandidátem na zdroj energie v organických bateriích. „Huc může extrahovat energii z vodíku ve vzduchu, což je prakticky neomezené," řekl Grinter. „Množství elektřiny, které lze vyrobit z nízkých koncentrací vodíku ve vzduchu, bude skromné. To omezí použití Huc v tomto kontextu na zařízení, která vyžadují malé, ale trvalé množství energie. Doplňkové použití Huc by bylo v palivových článcích, kde je zajištěna vyšší koncentrace vodíku.“ 

Zdroj: Vědci objevili enzym, který dokáže přeměnit vzduch na energii a uvolnit potenciální nový zdroj energie | Živá věda (livescience.com)