قد يبدو الأمر مفاجئًا ، ولكن عندما تكون الأوقات صعبة ولا يتوفر طعام آخر ، يمكن لبعض بكتيريا التربة أن تستهلك كميات ضئيلة من الهيدروجين في الهواء كمصدر للطاقة.
في الواقع ، تزيل البكتيريا 70 مليون طن من الهيدروجين من الغلاف الجوي كل عام ، وهي عملية تشكل حرفياً تكوين الهواء الذي نتنفسه.
لقد قمنا بعزل إنزيم يسمح لبكتيريا معينة باستهلاك الهيدروجين واستخراج الطاقة منه ، واكتشفنا أنه يمكن أن ينتج تيارًا كهربائيًا بشكل مباشر عند تعرضه لكميات صغيرة من الهيدروجين.
كما أبلغنا في ورقة جديدة في طبيعةيمكن أن يمتلك الإنزيم إمكانات كبيرة لتشغيل أجهزة الهواء المضغوط الصغيرة والمتينة في المستقبل.
الجينات البكتيرية هي سر تحويل الهواء إلى كهرباء
مسلحين بهذا الاكتشاف ، قمنا بتحليل الشفرة الجينية لبكتيريا التربة المسماة المتفطرة اللطخةالذي يستهلك الهيدروجين من الهواء.
جزء لا يتجزأ من هذه الجينات هو مخطط لإنتاج الآلة الجزيئية المسؤولة عن استهلاك الهيدروجين وتحويله إلى طاقة للبكتيريا. هذه الآلة عبارة عن إنزيم يسمى “هيدروجيناز” ، وقد أطلقنا عليها اسم Huc اختصارًا.
الهيدروجين هو أبسط جزيء ، يتكون من بروتونين موجبين الشحنة مرتبطين برابطة مكونة من إلكترونين سالبين الشحنة. يكسر Huc هذه الرابطة ، وتفصل البروتونات ويتم إطلاق الإلكترونات.
في البكتيريا ، تدور هذه الإلكترونات الحرة في دائرة معقدة تسمى “سلسلة نقل الإلكترون” ، ويتم استغلالها لتزويد الخلية بالطاقة.
الإلكترونات المتداولة هي أساس الكهرباء ، مما يعني أن Huc يحول الهيدروجين مباشرة إلى تيار كهربائي.
يشكل الهيدروجين 0.00005٪ فقط من الغلاف الجوي. يعد استهلاك هذا الغاز بهذه التركيزات المنخفضة تحديًا هائلاً لا يمكن لأي محفز معروف مواجهته. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأكسجين ، المتوفر في الغلاف الجوي ، يسمم نشاط معظم المحفزات المستهلكة للهيدروجين.
اعزل الإنزيم الذي يسمح للبكتيريا بالعيش في الهواء
أردنا أن نعرف كيف يتغلب Huc على هذه التحديات ، لذلك قررنا عزله عنها M. smegmatis الخلايا.
كانت عملية القيام بذلك معقدة. قمنا أولاً بتعديل جينات M. smegmatis التي تسمح للبكتيريا بصنع هذا الإنزيم. عند القيام بذلك ، أضفنا تسلسلًا كيميائيًا محددًا إلى Huc ، مما سمح لنا بعزله عنه M. smegmatis الخلايا.
لم تكن رؤية Huc جيدًا أمرًا سهلاً. استغرق الأمر عدة سنوات وعدة طرق مسدودة تجريبية قبل عزل عينة عالية الجودة من الإنزيم المبتكر في النهاية.
ومع ذلك ، كان العمل الشاق يستحق ذلك ، لأن Huc الذي أنتجناه أخيرًا مستقر للغاية. يقاوم درجات الحرارة من 80 درجة مئوية إلى -80 درجة مئوية دون فقدان النشاط.
المخطط الجزيئي لاستخراج الهيدروجين من الهواء
مع عزل Huc ، شرعنا في دراسته بجدية ، لمعرفة بالضبط ما يمكن أن يفعله الإنزيم. كيف تحول الهيدروجين من الهواء إلى مصدر مستدام للكهرباء؟
بشكل ملحوظ ، وجدنا أنه حتى عند عزله عن البكتيريا ، يمكن لـ Huc أن يستهلك الهيدروجين بتركيزات أقل بكثير حتى من الآثار الصغيرة في الهواء. في الواقع ، كان Huc لا يزال يستهلك نفثًا من الهيدروجين صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن اكتشافه بواسطة كروماتوغراف الغاز لدينا ، وهو أداة حساسة للغاية نستخدمها لقياس تركيزات الغاز.
وجدنا أيضًا أن Huc لا يثبطه الأكسجين تمامًا ، وهي خاصية لم يتم ملاحظتها في المحفزات الأخرى المستهلكة للهيدروجين.
لتقييم قدرتها على تحويل الهيدروجين إلى كهرباء ، استخدمنا تقنية تسمى الكيمياء الكهربائية. أظهر هذا أن Huc يمكنه تحويل تركيزات دقيقة من الهيدروجين في الهواء مباشرة إلى كهرباء ، والتي يمكن أن تشغل دائرة كهربائية. هذا إنجاز رائع وغير مسبوق لمحفز مستهلك للهيدروجين.
استخدمنا العديد من الأساليب الحديثة لدراسة كيفية قيام Huc بذلك على المستوى الجزيئي. وشمل ذلك الفحص المجهري المتقدم (المجهر الإلكتروني المبرد) والتحليل الطيفي لتحديد هيكله الذري والمسارات الكهربائية ، ودفع الحدود لإنتاج هيكل الإنزيم الأكثر دقة الذي تم الإبلاغ عنه من خلال هذه الطريقة.
يمكن أن تستخدم الإنزيمات الهواء لتشغيل أجهزة الغد
هذه هي بداية هذا البحث ، ويجب التغلب على العديد من التحديات التقنية لتحقيق إمكانات Huc.
من ناحية ، سيتعين علينا زيادة حجم إنتاج Huc بشكل كبير. في المختبر ، ننتج الهوك بالملليغرام ، لكننا نريد زيادة ذلك إلى جرامات ، وفي النهاية إلى كيلوجرامات.
ومع ذلك ، يوضح عملنا أن Huc تعمل مثل “بطارية طبيعية” تنتج تيارًا كهربائيًا مستدامًا من الهواء أو هيدروجينًا مضافًا.
نتيجة لذلك ، تمتلك Huc إمكانات كبيرة في تطوير أجهزة هواء مضغوط صغيرة ومستدامة كبديل للطاقة الشمسية.
ستكون كمية الطاقة التي يوفرها الهيدروجين في الهواء صغيرة ، ولكن ربما تكون كافية لتشغيل شاشة بيومترية أو ساعة أو كرة LED أو كمبيوتر بسيط. مع المزيد من الهيدروجين ، تنتج Huc المزيد من الكهرباء ويمكن أن تشغل الأجهزة الأكبر حجمًا.
ومن التطبيقات الأخرى تطوير أجهزة استشعار كهروحيوية تعتمد على Huc لاكتشاف الهيدروجين ، والذي قد يكون حساسًا بشكل لا يصدق. يمكن أن يكون Huc لا يقدر بثمن لاكتشاف التسريبات في البنية التحتية لاقتصاد الهيدروجين المزدهر لدينا أو في بيئة طبية.
باختصار ، يوضح هذا البحث كيف يمكن أن يؤدي اكتشاف أساسي حول كيفية قيام البكتيريا في علف التربة إلى إعادة اختراع كيمياء الحياة. في النهاية ، يمكن أن يؤدي هذا أيضًا إلى تطوير تقنيات للمستقبل.
كريس جرينينجأستاذ علم الأحياء الدقيقة ، جامعة موناش؛ أشلي كروبطالبة دكتوراه بمعهد اكتشاف الطب الحيوي ، جامعة موناشو مطحنة ريسرئيس المختبر ، معهد اكتشاف الطب الحيوي ، جامعة موناش
تم إعادة نشر هذه المقالة من الحوار تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأها المقالة الأصلية.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”