کشف آنزیمی که هوا را به انرژی تبدیل می‌کند

دانشمندان آنزیمی را کشف کردند که می‌تواند هوا را به انرژی تبدیل کند. باکتری از خانواده سل هیدروژن هوا را به الکتریسیته تبدیل می‌کند و در حال حاضر دانشمندان شیوه عملکرد آن را کشف کرده‌اند.

دانشمندانی که بر یکی باکتری‌های هم خانواده با باکتری مسبب سل و جذام مطالعه می‌کنند، آنزیمی را کشف کرده‌اند که هیدروژن را به الکتریسیته تبدیل می‌کند و فکر می‌کنند که می‌توان از آن برای ایجاد یک منبع جدید و پاک انرژی به معنای واقعی کلمه از هوای رقیق استفاده کرد.

این آنزیم که Huc نام دارد، توسط باکتری Mycobacterium smegmatis برای جذب انرژی از هیدروژن اتمسفر استفاده می‌شود و به آن امکان می‌دهد در محیط های شدید و فقیر از مواد مغذی زنده بمانند.

اکنون با استخراج و مطالعه این آنزیم، محققان می‌گویند منبع انرژی جدیدی پیدا کرده‌اند که می‌تواند برای تامین انرژی طیفی از دستگاه های الکتریکی قابل حمل کوچک استفاده شود. آنها یافته‌های خود را در 8 مارس در مجله Nature منتشر کردند.

ریس گرینتر، نویسنده اصلی این مقاله، می‌گوید: «ما تصور می‌کنیم که یک منبع تغذیه حاوی Huc  می‌تواند طیف وسیعی از دستگاه‌های کوچک قابل حمل را با استفاده از هوا، از جمله حسگرهای بیومتریک، نمایشگرهای محیطی، ساعت‌های دیجیتال، و ماشین‌حساب‌ها یا رایانه‌های ساده، تغذیه کند.»

او در این باره توضیح می‌دهد: «وقتی به Huc هیدروژن غلیظ‌تری می‌دهید، جریان الکتریکی بیشتری تولید می‌کند. این بدان معناست که می‌توانید از آن در سلول‌های سوختی برای تامین انرژی دستگاه‌های پیچیده‌تر، مانند ساعت‌های هوشمند یا گوشی‌های هوشمند، رایانه‌های پیچیده‌تر قابل حمل‌تر و احتمالاً یک خودرو استفاده کنید.»

M. smegmatis  یک باکتری غیر بیماری‌زا و با رشد سریع است که اغلب در آزمایشگاه برای مطالعه ساختار دیواره سلولی خویشاوند نزدیک و عامل بیماری خود مایکوباکتریوم توبرکلوزیس استفاده می‌شود. M. smegmatis که معمولاً در خاک در سراسر جهان یافت می‌شود.

مدت‌هاست که برای تبدیل هیدروژن کمیاب موجود در هوا به انرژی شناخته شده است. به گفته محققان، به این ترتیب، میکروب می‌تواند در سخت‌ترین محیط‌ها، از جمله خاک‌های قطب جنوب، دهانه‌های آتشفشانی و اعماق اقیانوس‌ها که سوخت دیگری در آن‌ها یافت نمی‌شود، زنده بماند. اما تا به حال، این که M. smegmatis چگونه این کار را انجام داد، یک راز فراگیر بود.

برای بررسی شیمی پشت توانایی تکان دهنده M. smegmatis، دانشمندان ابتدا آنزیم Huc را که مسئول این فرآیند است با استفاده از کروماتوگرافی جدا کردند، یک تکنیک آزمایشگاهی که دانشمندان را قادر می‌سازد تا اجزای یک مخلوط را جدا کنند. سپس، آنها ساختار اتمی آنزیم را با میکروسکوپ کرایو الکترونی بررسی کردند، تکنیکی که سازندگان آن جایزه نوبل شیمی 2017 را به ارمغان آورد. محققان با ارسال الکترون‌ها به نمونه یخ‌زده Huc که از M. smegmatis جمع‌آوری شده بود، ساختار اتمی آنزیم و مسیرهای الکتریکی را که برای حمل الکترون‌ها استفاده می‌کند تا جریان تشکیل دهند، ترسیم کردند.

این تیم کشف کرد که در مرکز خود، هاک ساختاری به نام مکان فعال دارد که حاوی یون‌های باردار نیکل و آهن است. هنگامی که مولکول های هیدروژن (متشکل از دو پروتون و دو الکترون) وارد محل فعال می‌شوند، بین یون های نیکل و آهن به دام می‌افتند و از الکترون‌های خود جدا می‌شوند. سپس آنزیم این الکترون‌ها را در یک جریان روان برای تولید جریان می‌فرستد.

آزمایشات بیشتر نشان داد که آنزیم Huc جدا شده را می توان برای دوره های طولانی ذخیره کرد. این که از یخ زدن یا گرم شدن تا 176 درجه فارنهایت (80 درجه سانتیگراد) زنده می‌ماند. و اینکه می‌تواند هیدروژن را در غلظت‌هایی به اندازه 0.00005 درصد از آنچه در هوایی که تنفس می‌کنیم، مصرف کند. به گفته محققان، این ویژگی‌ها، در کنار همه‌جای میکروب و توانایی رشد آسان آن، می‌تواند آنزیم را به یک کاندید ایده‌آل برای منبع انرژی در باتری‌های آلی تبدیل کند.