Αυστραλοί επιστήμονες εντόπισαν ένα εξαιρετικά ανθεκτικό ένζυμο που θα μπορούσε να τροφοδοτήσει μικρές συσκευές, από αισθητήρες έως ιατρικά εμφυτεύματα
Αυστραλοί επιστήμονες απομόνωσαν από βακτήρια του εδάφους ένα ένζυμο που παράγει ηλεκτρισμό χρησιμοποιώντας ίχνη υδρογόνου από τον αέρα. Αυτό εξακολουθούσε να λειτουργεί μετά από κατάψυξη ή θέρμανση στους 80 °C, ανοίγοντας έναν πιθανό δρόμο για μικρές συσκευές που λειτουργούν με αέρα
Η εξαιρετική ανθεκτικότητα του ενζύμου και η αποδοτικότητά του στην αξιοποίηση του αόρατου ατμοσφαιρικού υδρογόνου θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν από απομακρυσμένους αισθητήρες έως ιατρικά εμφυτεύματα, χωρίς συμβατικές μπαταρίες ή κυψέλες καυσίμου.
Το χώμα και το υδρογόνο
Αν μαζέψετε ένα κουταλάκι του γλυκού χώμα από τον κήπο, κρατάτε στα χέρια σας αρκετά δισεκατομμύρια βακτήρια, και αρκετά από αυτά λειτουργούν αθόρυβα μόνο με αέρα.
Το υδρογόνο αποτελεί περίπου το 0,00005% της ατμόσφαιρας, ένα σφάλμα στρογγυλοποίησης πάνω σε ένα ακόμη σφάλμα στρογγυλοποίησης, και ένας εκπληκτικός αριθμός βακτηρίων του εδάφους έχει βρει πώς να ζει με αυτό.
Οι μικροβιολόγοι το γνωρίζουν εδώ και χρόνια. Αυτό που κανείς δεν μπορούσε να εξηγήσει ήταν το ίδιο το τέχνασμα, επειδή η άντληση ενέργειας από ένα τόσο σπάνιο αέριο, σε μια ατμόσφαιρα γεμάτη οξυγόνο, δεν θα έπρεπε από χημική άποψη να αξίζει τον κόπο.
Μια ομάδα στο Biomedicine Discovery Institute του Monash University στη Μελβούρνη, με επικεφαλής τους Rhys Grinter, Ashleigh Kropp και Chris Greening, αποσυναρμολόγησε τον μηχανισμό και βρήκε την απάντηση.
Απομόνωσαν το υπεύθυνο ένζυμο από το Mycobacterium smegmatis, έναν ακίνδυνο συγγενή του βακτηρίου της φυματίωσης που ζει στο έδαφος, και έδειξαν σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Nature ότι μετατρέπει το ατμοσφαιρικό υδρογόνο απευθείας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Το ονόμασαν Huc.
Η συνήθεια αυτή είναι ευρέως διαδεδομένη και έχει σημαντικές συνέπειες. Τα μικρόβια του εδάφους απομακρύνουν περίπου 70 εκατομμύρια τόνους υδρογόνου από τον αέρα ετησίως, σύμφωνα με στοιχεία που παρέθεσαν οι ίδιοι οι ερευνητές στην περιγραφή της ανακάλυψης.
Η δραστηριότητα σε αυτή την κλίμακα συμβάλλει στη διαμόρφωση της σύστασης της ατμόσφαιρας και συντηρεί τη ζωή σε μέρη όπου δεν υπάρχει σχεδόν τίποτα άλλο διαθέσιμο, από το έδαφος της Ανταρκτικής έως τους ηφαιστειακούς κρατήρες.
Τι κάνει το ένζυμο
Ένα μόριο υδρογόνου αποτελείται από δύο πρωτόνια που συγκρατούνται μεταξύ τους από δύο ηλεκτρόνια.
Το Huc τα διαχωρίζει και στέλνει τα ηλεκτρόνια μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας του βακτηρίου, από όπου προέρχεται η ενέργειά του. Αυτή η ροή ηλεκτρονίων αποτελεί ρεύμα, οπότε το ένζυμο λειτουργεί ουσιαστικά σαν μια πολύ μικρή μπαταρία που δεν χρειάζεται ποτέ να συνδεθεί στην πρίζα.
Ο Grinter δήλωσε στο Cosmos ότι χρειάστηκαν σχεδόν πέντε χρόνια και πολλές αποτυχημένες προσπάθειες για να καταφέρουν να το απομονώσουν, κυρίως επειδή δεν υπήρχε καθιερωμένη μέθοδος για την καλλιέργεια των βακτηρίων, τη διάσπασή τους και την απομόνωση ενός συγκεκριμένου συστατικού.
Η δομή που τελικά προσδιόρισαν με κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία αποδείχθηκε ότι ήταν ένα μεγάλο μοριακό σύμπλεγμα τοποθετημένο πάνω σε έναν μίσχο, το οποίο μεταφέρει έναν φορέα ηλεκτρονίων από τη μεμβράνη στο σημείο όπου πραγματοποιείται η αντίδραση.
Το οξυγόνο κανονικά αποτελεί το εμπόδιο
«Το Huc είναι εξαιρετικά αποδοτικό», δήλωσε ο Grinter όταν δημοσιεύθηκε η μελέτη στο Nature.
Σχεδόν κάθε άλλη υδρογονάση, η κατηγορία ενζύμων που οξειδώνουν το υδρογόνο, είναι ευαίσθητη στο οξυγόνο: η έκθεση στον αέρα την απενεργοποιεί, ένας από τους λόγους για τους οποίους οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου που βασίζονται σε αυτές παραμένουν ακριβές και απαιτητικές στη λειτουργία τους. Το Huc απλώς αγνοεί αυτόν τον περιορισμό.
Προσομοιώσεις σε υπολογιστή που πραγματοποιήθηκαν από την ομάδα της Syma Khalid στην Οξφόρδη εξήγησαν το γιατί: τα κανάλια που οδηγούν στην ενεργή περιοχή είναι αρκετά πλατιά ώστε να επιτρέπουν την είσοδο του υδρογόνου και αρκετά στενά ώστε να μην μπορεί να περάσει το οξυγόνο.
Ο Greening δήλωσε στο Physics World ότι η «όρεξη» του ενζύμου για το αέριο είναι αρκετά μεγάλη ώστε να απομακρύνει το υδρογόνο απευθείας από τον ατμοσφαιρικό αέρα, κάτι που κανένας γνωστός χημικός καταλύτης δεν μπορεί να επιτύχει.
Επιβιώνει επίσης από πράγματα που τα ένζυμα δεν αντέχουν
Μπορείς να καταψύξεις ένα ένζυμο, να το ψήσεις και να εξακολουθεί να παράγει ενέργεια μετά από όλα αυτά;
Οι καθαρισμένες πρωτεΐνες είναι συνήθως ευαίσθητες, βραχύβιες και ακριβές στη διατήρηση της σταθερότητάς τους, αλλά το Huc δεν είναι τίποτα από αυτά.
Η Kropp ανέφερε ότι το απομονωμένο ένζυμο μπορεί να καταψυχθεί πλήρως ή να θερμανθεί στους 80 °C και να εξακολουθεί να παράγει ενέργεια στη συνέχεια.
Για οτιδήποτε θα μπορούσε κάποια μέρα να τοποθετηθεί μέσα σε μια συσκευή και να παραμείνει σε ένα ράφι, αυτό έχει μεγαλύτερη σημασία από τη χημεία που κρύβεται πίσω από τον εντυπωσιακό τίτλο.
Πόσος ηλεκτρισμός είναι πραγματικά διαθέσιμος
Όχι πολύ, προς το παρόν. Η εργασία του 2023 αφορούσε τη δομική βιολογία και όχι μια επίδειξη μηχανικής εφαρμογής, ενώ μια μικρή ποσότητα ενζύμου παράγει αναλογικά μικρό ρεύμα.
Ο στόχος που είχε θέσει τότε ο Grinter ήταν η αύξηση της παραγωγής, με δεδομένο ότι τα βακτήρια είναι φθηνά και εύκολα στην καλλιέργεια σε μεγάλη κλίμακα, ενώ ως πιθανή απόδειξη της ιδέας είχε αναφερθεί ένα ρολόι χειρός.
Μια δεύτερη χρήση δεν απαιτεί καθόλου αύξηση της παραγωγής. Όπως ανέφερε το eeNews Europe, το ίδιο ρεύμα καθιστά επίσης το Huc έναν ευαίσθητο ανιχνευτή υδρογόνου, χρήσιμο για τον εντοπισμό διαρροών σε αγωγούς και δεξαμενές αποθήκευσης.
Μια μελέτη που περιγράφει τον τρόπο λειτουργίας μιας πρωτεΐνης δεν είναι το ίδιο πράγμα με μια πηγή ενέργειας, και η ομάδα ήταν προσεκτική ώστε να το επισημάνει.
Πού έχει φτάσει έκτοτε
Μέχρι το 2025, μια ξεχωριστή ομάδα μηχανικών του Monash είχε συνδέσει το Huc σε ένα πλέγμα νανοσωλήνων άνθρακα για να δει τι θα μπορούσε πραγματικά να κάνει μέσα σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.
Η εργασία είχε επικεφαλής τον Kaiqiang He, μαζί με τους Kropp, Grinter και Greening. Η κυψέλη που προέκυψε παρήγαγε 1,72 milliwatts ανά τετραγωνικό εκατοστό, λειτουργώντας με καθαρό υδρογόνο, και συνέχισε να λειτουργεί με «βρώμικο» καύσιμο που θα δηλητηρίαζε έναν συμβατικό καταλύτη, συμπεριλαμβανομένου αερίου μολυσμένου με μονοξείδιο του άνθρακα.
Είναι χρήσιμο, αν και το καθαρό υδρογόνο και ο αραιός αέρας παραμένουν δύο διαφορετικές προτάσεις.
Εργασία που δημοσιεύθηκε το 2026 από την Kropp και συνεργάτες της διαπίστωσε ότι το M. smegmatis περιορίζει την παραγωγή Huc όταν υπάρχει διαθέσιμη μια πλουσιότερη πηγή τροφής, όπως η γλυκερόλη, και στη συνέχεια την αυξάνει ξανά καθώς το κύτταρο οδηγείται προς την αδράνεια.
Πρόκειται για μια κάπως απογοητευτική λεπτομέρεια και ταυτόχρονα για μια πολύ ειλικρινή.
Ο οργανισμός που ενέπνευσε την ιδέα μιας μπαταρίας που λειτουργεί με αέρα ασχολείται με τον αέρα μόνο όταν δεν υπάρχει κάτι καλύτερο.
www.worldenergynews.gr
