Unbegrenzte saubere Energie wird von Wissenschaftlern oft als der „Heilige Gral“ angesehen, und jetzt legt eine neue Studie nahe, dass die Antwort in einem Enzym liegen könnte.
Wissenschaftler der Monash University in Australien haben „Huc“ entdeckt – ein Enzym, das Wasserstoff in der Luft in Elektrizität umwandeln kann.
Sie extrahierten das Enzym aus einem gewöhnlichen, im Boden lebenden Bakterium namens Mycobacterium smegmatis.
Huc ermöglicht es den Bakterien, Wasserstoff in der Atmosphäre in nutzbare Energie umzuwandeln, damit sie tief unter der Erde weiter gedeihen können.
Forscher sagen, dass, wenn genug von dem Enzym geerntet werden kann, es uns ermöglichen könnte, solarbetriebene Geräte durch „luftbetriebene“ Versionen zu ersetzen.
Wissenschaftler der Monash University in Australien haben „Huc“ entdeckt – einen biologischen Katalysator, der Wasserstoff in elektrischen Strom umwandeln kann
Sie konnten es aus einem gewöhnlichen, im Boden lebenden Bakterium namens extrahieren Mycobacterium smegmatis . Im Bild: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Mycobacterium smegmatis
Enzyme sind Substanzen, die von lebenden Organismen produziert werden und bestimmte chemische Reaktionen beschleunigen oder ermöglichen, einschließlich solcher, die Energie erzeugen.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass einige Arten von Bakterien in der Lage sind, Wasserstoff in der Luft in Energie umzuwandeln, um ihnen zu helfen, in nährstoffarmen Umgebungen zu überleben.
Dazu gehören laut Studienautor Dr. Chris Greening antarktische Böden, Vulkankrater und die Tiefsee.
Für die heute in Nature veröffentlichte Veröffentlichung zeigen die in Melbourne ansässigen Forscher, wie sie eines der für diese Umwandlungsreaktion verantwortlichen Enzyme extrahieren können.
Anschließend verwendeten sie eine neue Technik namens kryogene Elektronenmikroskopie – die ihren Entwicklern 2017 einen Nobelpreis einbrachte – um die atomare Struktur von Huc zu bestimmen.
Bei dieser Technik wird die Probe auf kryogene Temperaturen – unter -238 °F (-150 °C) – gekühlt und mit Elektronen bombardiert.
Diese passieren und werden von einer Kamera erfasst, um ein extrem hochauflösendes Bild zu erzeugen.
Insbesondere wandelt Huc Wasserstoff in elektrische Energie um, und die kryogene Elektronenmikroskopie half Wissenschaftlern auch, diesen Prozess zu verstehen.
“Wir wussten bis jetzt nicht, wie sie das gemacht haben”, sagte Dr. Greening.
Das Enzym bindet an Wasserstoff und ermöglicht dessen Oxidation – eine Reaktion, bei der es Elektronen verliert, bevor es sie an das Vitamin Menachinon oder K2 weitergibt.
Menachinon ist dann in der Lage, Elektronen an der Membran des Bakteriums oder einer anderen Elektrode zu übertragen, wodurch ein elektrischer Strom wie eine „natürliche Batterie“ erzeugt wird.
Die Forscher verwendeten eine neue Technik namens kryogene Elektronenmikroskopie – die ihren Entwicklern 2017 einen Nobelpreis einbrachte – um die atomare Struktur von Huc zu bestimmen (im Bild).
Kryo-Elektronenmikroskopie-Bilder zeigten, dass Huc spezielle Gaskanäle (hervorgehoben) verwendet, die es Wasserstoff ermöglichen, einzudringen und sich daran zu binden, aber Sauerstoff abstoßen
Mycobacterium smegmatis (im Bild) kommt weltweit in Böden, Gewässern und Abwässern vor und lässt sich leicht im Labor züchten. Dies bedeutet, dass es eine kostengünstige, ethische und nachhaltige Möglichkeit gibt, an Huc heranzukommen, was den Forschern ein großes Potenzial bietet, den Prozess zu erweitern
Die Wissenschaftler waren zunächst verwirrt darüber, wie Huc dies erreichen könnte, wenn in der Atmosphäre viel mehr Sauerstoff verfügbar ist, an den es sich stattdessen binden könnte.
Die kryogenen Elektronenmikroskopie-Bilder zeigten jedoch, dass es spezielle Gaskanäle verwendet, die es Wasserstoff ermöglichen, einzudringen und sich daran zu binden, aber Sauerstoff abstoßen.
“Huc ist außerordentlich effizient”, sagte Dr. Rhys Grinter.
“Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Enzymen und chemischen Katalysatoren verbraucht es sogar Wasserstoff unterhalb des atmosphärischen Niveaus – nur 0,00005 Prozent der Luft, die wir atmen.”
Die Forscher fanden auch heraus, dass Huc auch nach dem Einfrieren oder Erhitzen auf Temperaturen von 80 °C (176 °F) noch Strom erzeugen kann.
“Dies spiegelt wider, dass dieses Enzym Bakterien hilft, in den extremsten Umgebungen zu überleben”, sagte Doktorandin Ashleigh Kropp.
Mycobacterium smegmatis kommt weltweit in Böden, Gewässern und Abwässern vor und lässt sich leicht im Labor züchten und manipulieren.
Dies bedeutet, dass es eine kostengünstige, ethische und nachhaltige Möglichkeit gibt, an Huc heranzukommen, was den Forschern ein großes Potenzial für die Ausweitung der Stromerzeugung bietet.
“Sobald wir Huc in ausreichenden Mengen produzieren, sind der Himmel buchstäblich die Grenzen für die Nutzung zur Erzeugung sauberer Energie”, sagte Dr. Grinter.