Борис Николаев
«Родственница» палочки Коха вырабатывает энергию благодаря ферменту Huc. Фото NIAID
8 марта 2023 года ученые Рис Гринтер, Эшли Кропп и Крис Грининг из государственного университета в Мельбурне опубликовали в издании nature.com статью под названием «Структурные основы извлечения энергии бактериями из атмосферного водорода». Дело в том, что разнообразные аэробные бактерии используют атмосферный Н2 в качестве источника энергии для роста и выживания. Как выяснилось, есть одна бактерия, родственная возбудителю туберкулеза, которая способна превращать водород из воздуха в электричество, и совсем недавно ученым удалось выяснить, как именно она это делает.
Ученые, исследовавшие одного «родственника» бактерии, вызывающей туберкулез и проказу, обнаружили фермент, который превращает водород в электричество. Они считают, что их открытие можно будет использовать для разработки нового метода получения чистой энергии в буквальном смысле из воздуха.
Бактерия Mycobacterium smegmatis использует фермент, названный Huc, чтобы получать энергию из содержащегося в воздухе водорода, и эта способность позволяет ей выживать в экстремальных условиях, то есть в бедной питательными веществами среде.
Ученые утверждают, что, обнаружив и изучив этот фермент, они нашли новый источник чистой энергии, который можно будет использовать для питания различных небольших портативных устройств. «Мы полагаем, что источник питания, содержащий фермент Huc, может обеспечивать энергией целый ряд небольших портативных устройств, включая биометрические датчики, устройства для мониторинга окружающей среды, цифровые часы, калькуляторы и даже простые компьютеры», – сообщил ведущий автор исследования Рис Гринтер.
«Если обеспечить фермент Huc более концентрированным водородом, он будет давать больше электрического тока, – объяснил он. – Это значит, что фермент Huc можно использовать в топливных элементах для питания более сложных устройств, таких как «умные» часы или смартфоны, более сложные портативные компьютеры и, возможно, даже автомобили».
Mycobacterium smegmatis – это непатогенная быстрорастущая бактерия, которую часто используют в лабораториях для изучения структуры клеточной стенки ее близкого родственника Mycobacterium tuberculosis, которая вызывает туберкулез. Давно известно, что Mycobacterium smegmatis, которая часто встречается в почвах по всему миру, преобразует содержащийся в воздухе водород в энергию. Исследователи объяснили, что благодаря этой способности бактерия может выжить в самых суровых условиях, включая почвы Антарктики, вулканические кратеры и океанские глубины, где крайне мало другого «топлива».
Однако до настоящего момента ученые не знали, как именно она это делает.
Чтобы исследовать химические процессы, лежащие в основе этой поразительной способности, ученые сначала выделили фермент Huc с помощью метода хроматографии – метода, который позволяет разделять компоненты смеси. Затем они исследовали атомную структуру фермента с помощью криоэлектронной микроскопии. Направляя электроны на замороженный образец Huc, исследователи зафиксировали атомную структуру фермента и электрические проводящие пути, по которым он направляет электроны так, чтобы они образовывали ток.
Ученые выяснили, что в центре Huc есть структура – так называемый активный участок, – которая содержит заряженные ионы никеля и железа. Как только молекулы водорода (состоящие из двух протонов и двух электронов) попадают в активный участок, они оказываются в ловушке между ионами никеля и железа и теряют свои электроны. После этого фермент отправляет электроны дальше в потоке, чтобы генерировать ток.
«Если мы зафиксируем Huc на электроде, электроны смогут попадать в электрическую цепь с поверхности фермента и генерировать ток», – убеждены ученые.
Эксперименты ученых также показали, что фермент подлежит длительному хранению и не теряет своих свойств даже после нагревания до 80 градусов Цельсия. Также удалось установить, что фермент Huc может потреблять водород в концентрации, которая составляет лишь 0,00005% от содержащегося в воздухе, которым мы дышим.
По словам ученых, эти свойства наряду с вездесущностью бактерии Mycobacterium smegmatis могут сделать этот фермент идеальным кандидатом на роль источника чистой энергии в органических батареях.
«Фермент Huc способен получать энергию из водорода в воздухе, которого там безграничное количество, – пояснил Гринтер. – Количество электроэнергии, которое можно будет выработать из водорода в низких концентрациях, будет довольно скромным. Это ограничит область применения фермента Huc такими устройствами, которым требуется постоянное, но все же небольшое количество энергии. Фермент Huc также можно будет применять в топливных элементах, где необходимо будет обеспечить более высокую концентрацию водорода».
