دانشمندان آنزیمی را کشف کردند که می‌تواند هوا را به انرژی تبدیل کند

دانشمندانی که روی یکی از باکتری‌های خویشاوند باکتری‌های عامل سل و جذام مطالعه می‌کنند، آنزیمی را کشف کرده‌اند که هیدروژن را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. آن‌ها فکر می‌کنند که می‌توان از آن برای ایجاد منبع جدید و پاکی از انرژی به معنای واقعی کلمه از هوا استفاده کرد.

آنزیم کشف‌شده که Huc نام گرفته است، توسط باکتری مایکوباکتریوم اسمگماتیس برای گرفتن انرژی از هیدروژن اتمسفر استفاده می‌شود. این توانایی باکتری را قادر می‌سازد تا در محیط‌های بسیار نامساعد و فقیر از مواد مغذی زنده بماند. اکنون با استخراج و مطالعه این آنزیم، پژوهشگران می‌گویند منبع انرژی جدیدی را پیدا کرده‌اند که می‌توان از آن برای تأمین انرژی طیفی از دستگاه‌های الکتریکی قابل حمل کوچک استفاده کرد. آن‌ها یافته‌های خود را در تاریخ ۸ مارس در مجله Nature منتشر کردند.

ریس گرینتر، نویسنده اصلی مقاله و میکروب‌شناسی از دانشگاه موناش استرالیا به لایوساینس گفت: «تصور می‌کنیم که منبع انرژی حاوی Huc می‌تواند انرژی موردنیاز طیفی از وسایل قابل‌حمل کوچک ازقبیل حسگرهای بیومتریک، پایشگرهای محیطی، ساعت‌های دیجیتال و ماشین‌حساب‌ها یا کامپیوترهای ساده را با استفاده از هوا تأمین کند. وقتی غلظت بالاتری از هیدروژن را در اختیار Huc قرار دهید، جریان الکتریکی بیشتری تولید می‌کند که به این معنا است که می‌توانید از آن در سلول‌های سوختی به‌منظور تامین انرژی دستگاه‌های پیچیده‌تری مانند ساعت‌های هوشمند یا گوشی‌های هوشمند، کامپیوترها قابل‌حمل پیچیده‌تر و شاید حتی خودرو استفاده کنید.»

مایکوباکتریوم اسمگماتیس نوعی باکتری غیربیماری‌زا و با رشد سریع است که اغلب در آزمایشگاه برای مطالعه ساختار دیواره سلولی مایکوباکتریوم توبرکلوزیس استفاده می‌شود. مایکوباکتریوم توبرکلوزیس که موجب بیماری سل می‌شود، یکی از خویشاوندان نزدیک مایکوباکتریوم اسمگماتیس است.

مدت‌ها است مشحص شده است مایکوباکتریوم اسمگماتیس که معمولاً در خاک‌های سراسر جهان دیده می‌شود، می‌تواند هیدروژن هوا را به انرژی تبدیل کند. این میکروب از این طریق می‌تواند در نامساعدترین محیط‌ها مانند خاک‌های جنوبگان، دهانه‌های آتشفشانی و اعماق اقیانوس که در آن مکان‌ها سوخت چندانی یافت نمی‌شود، زنده بماند.

اما دانشمندان نمی‌دانستند مایکوباکتریوم اسمگماتیس چگونه این کار را انجام می‌دهد. آن‌ها برای بررسی شیمی زیربنای این توانایی حیرت‌آور مایکوباکتریوم اسمگماتیس، ابتدا آنزیم Huc را که مسئول این فرایند است، با استفاده از کروماتوگرافی جدا کردند (تکنیک آزمایشگاهی که دانشمندان را قادر می‌سازد تا اجزای یک مخلوط را از هم جدا کنند).

آن‌ها سپس ساختار اتمی آنزیم مذکور را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو بررسی کردند. کرایو میکروسکوپی الکترونی تکنیکی است که موجب شد سازندگان آن در سال ۲۰۱۷ جایزه نوبل شیمی را دریافت کنند. پژوهشگران با تاباندن الکترون‌ها به نمونه منجمدی از Huc که از باکتری مایکوباکتریوم اسمگماتیس جمع‌آوری شده بود، ساختار اتمی آنزیم و مسیرهای الکتریکی را مشخص کردند که آنزیم از آن برای حمل الکترون‌ها و ایجاد جریان استفاده می‌کند.

طبق یافته‌های پژوهشگران، آنزیم Huc در مرکز خود ساختاری به نام مکان فعال دارد که حاوی یون‌های باردار نیکل و آهن است. وقتی مولکول‌های هیدروژن (که از دو پروتون و دو الکترون تشکیل شده‌اند) وارد مکان فعال می‌شوند، بین یون‌های نیکل و آهن به دام می‌افتند و الکترون‌هایشان از آن‌ها جدا می‌شود. سپس آنزیم این الکترون‌ها را در امتداد جریان سیالی می‌فرستد تا جریان الکتریکی تولید کند. گرینتر گفت: «الکترون‌ها توسط Huc (به‌ویژه یون نیکل) جذب می‌شوند و به سطح Huc منتقل می‌شوند (توسط سیم مولکولی که از خوشه‌هایی از یون‌های آهن و گوگرد تشکیل می‌شود). اگر آنزیم Huc را روی الکترود ساکن کنیم، الکترون‌ها می‌توانند از سطح آنزیم وارد مدار الکتریکی شده و جریان تولید کنند.»

آزمایش‌های بیشتر نشان داد آنزیم Huc جداشده را می‌توان برای دوره‌های طولانی ذخیره کرد. این آنزیم در دمای انجماد یا گرمای ۸۰ درجه سانتی‌گراد دوام می‌آورد و می‌تواند هیدروژن را در غلظت‌هایی بسیار پایین (۰٫۰۰۰۰۵ درصد غلظتی که در هوایی که تنفس می‌کنیم، وجود دارد) مصرف کند.

به‌گفته‌ی پژوهشگران، این ویژگی‌ها در کنار فراوانی میکروب و قابلیت رشد آسان آن می‌تواند آنزیم را به کاندیدای ایده‌الی به‌عنوان یک منبع انرژی در باتری‌های ارگانیک تبدیل کند. گرینتر می‌گوید: «آنزیم Huc می‌تواند انرژی را از هیدروژن موجود در هوا که عملاً نامحدود است، استخراج کند. مقدار الکتریسیته‌ای که می‌توان از غلظت‌های پایین هیدروژن موجود در هوا تولید کرد، کم خواهد بود. این امر کاربرد Huc را در این زمینه به دستگاه‌هایی محدود می‌کند که به انرژی کم، اما پایداری نیاز دارند. کاربرد دیگر Huc در سلول‌های سوختی است که غلظت هیدروژن در آن‌ها بالاتر است.»