Ερευνητές του Monash University ανακάλυψαν ότι ένα ένζυμο μετατρέπει με φυσικό τρόπο τον αέρα της ατμόσφαιρας σε ηλεκτρική ενέργεια, ανοίγοντας έτσι ενδεχομένως το δρόμο για μελλοντικές συσκευές που δε θα χρειάζονται τη συμβατική φόρτιση αλλά θα τροφοδοτούνται από τον… αέρα γύρω τους.
Το εν λόγω ένζυμο, ονομάζεται Huc (προφέρεται «Huck»).
Παράγεται από βακτήρια και τα βοηθά στην ανάπτυξη και την επιβίωσή τους στο έδαφος, στους ωκεανούς, στους ηφαιστειακούς κρατήρες, ακόμη και στην Ανταρκτική, ανέφερε η ιστοσελίδα Monash Lens, όπου δημοσιεύτηκε αρχικά το σχετικό άρθρο για τη σημαντική ανακάλυψη.
Οι μικροβιολόγοι του Monash University ανακάλυψαν ότι το Huc μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό από τον αέρα.
Η σημαντική ανακάλυψη καταγράφεται και στη νέα έκδοση του έγκυρου επιστημονικού περιοδικού Nature.
Επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας ήταν ο Δρ Rhys Grinter του Monash, η διδακτορική φοιτήτρια Ashleigh Kropp και ο καθηγητής Chris Greening, από το Biomedicine Discovery Institute.
Το εργαστήριο του καθηγητή Greening ειδικεύεται στον τρόπο με τον οποίο τα βακτήρια αποκτούν ενέργεια.
Το εργαστήριο του Δρ Grinter επικεντρώνεται στους μοριακούς μηχανισμούς που αποτελούν τα βακτήρια και στον τρόπο λειτουργίας τους.
«Γνωρίζουμε εδώ και αρκετό καιρό ότι τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιούν τα ίχνη υδρογόνου στον αέρα ως πηγή ενέργειας», δήλωσε ο καθηγητής Greening. «Αλλά δεν ξέραμε πώς το κάνουν αυτό, μέχρι τώρα».
Το Huc λειτουργεί ως «απορροφητής» αερίου υδρογόνου και, σε αντίθεση με όλα τα άλλα γνωστά ένζυμα και χημικούς καταλύτες, μπορεί να καταναλώνει το αέριο κάτω από τα ατμοσφαιρικά επίπεδα.
Με αυτόν τον τρόπο είναι σαν μια «φυσική μπαταρία», που παράγει λίγο ηλεκτρικό ρεύμα από τον αέρα ή το προστιθέμενο υδρογόνο.
Η επιστήμη έχει μείνει άναυδη ως προς το πώς λειτουργεί. Το εύρημα αυτό ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία συσκευών που κυριολεκτικά παράγουν ενέργεια, με τη μορφή ηλεκτρισμού, από τον αέρα.
«Αυτό που θέλαμε πραγματικά να κάνουμε ήταν να απομονώσουμε το Huc από ένα βακτήριο ικανό να συλλέγει ατμοσφαιρικό υδρογόνο», λέει ο Δρ Grinter.
«Αυτό είναι μια πρόκληση, διότι συχνά αυτά τα περιβαλλοντικά βακτήρια είναι δύσκολο να καλλιεργηθούν. Έτσι, αναπτύξαμε μια σειρά νέων μεθόδων για, πρώτα, την καλλιέργεια των βακτηρίων, στη συνέχεια, το ‘σπάσιμό’ τους και, στη συνέχεια, τη χρήση χημείας για να προσπαθήσουμε να απομονώσουμε αυτό το μοναδικό συστατικό».
Το βακτήριο που επιλέχθηκε ήταν το Mycobacterium smegmatis, το οποίο ανακαλύφθηκε το 1884 στην Αυστρία από έναν γιατρό, τον Sigmund Lustgarten, ο οποίος εξέταζε δερματικές ασθένειες. Παρά το γεγονός ότι απομονώθηκε σε αυτό το πλαίσιο, το M. smegmatis ζει γενικά στο έδαφος, δεν προκαλεί ασθένειες και είναι σχετικά καλά μελετημένο λόγω της χρήσης του ως πρότυπου οργανισμού για τον ξάδελφό του, τη φυματίωση.
«Επίσης», σημείωσε, «ένα από τα πράγματα που είναι σημαντικά για τη μελέτη των βακτηρίων ή τον καθαρισμό των συστατικών είναι να μπορούμε να αλλάξουμε τα γονιδιώματά τους. Να προστεθούν γονίδια, να αφαιρεθούν και να εισέλθει λίγο επιπλέον DNA που επιτρέπει να γίνουν πιο καθαρά τα συμπλέγματα. Αυτά τα εργαλεία υπάρχουν για το M. smegmatis».
Το μέλος της ομάδας Ashleigh Kropp έκανε μεγάλο μέρος της εργαστηριακής δουλειάς, συμπεριλαμβανομένης της εξαγωγής του Huc από τα βακτηριακά κύτταρα.
»Διαπιστώσαμε ότι το Huc έχει ένα επιπλέον συστατικό που δεν γνωρίζαμε ότι υπήρχε», είπε.
«Χρησιμοποιώντας το, το Huc σχηματίζει ένα μεγάλο σύμπλεγμα, και όταν το αφαιρούμε, το Huc δεν σχηματίζει πια αυτό το μεγάλο σύμπλεγμα. Αποδεικνύεται ότι αυτό το συστατικό και το σύμπλοκο είναι πραγματικά σημαντικά για το πώς λειτουργεί η Huc στα κύτταρα».
Η εργαστηριακή εργασία έδειξε ότι το καθαρισμένο Huc μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλα χρονικά διαστήματα.
«Είναι πολύ σταθερό. Είναι δυνατόν να καταψύξουμε το ένζυμο ή να το θερμάνουμε στους 80° Κελσίου και να διατηρήσει τη δύναμή του να παράγει ενέργεια», επεσήμανε η Kropp. »Αυτό αντικατοπτρίζει ότι αυτό το ένζυμο βοηθά τα βακτήρια να επιβιώσουν στα πιο ακραία περιβάλλοντα».
Τι μπορεί να τροφοδοτήσει το Huc και πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί;
«Ενώ υπάρχει πολλή δουλειά να γίνει ώστε να καταστεί αυτό πραγματικότητα, υπάρχει ένας αριθμός πιθανών εφαρμογών», είπε ο Δρ Grinter. «Η σύνθεση λεπτών χημικών ουσιών απαιτεί πολύ συγκεκριμένες τροποποιήσεις σε ένα μόριο, οι οποίες μπορεί να είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν χημικά. Το Huc θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τα ηλεκτρόνια από μικρές ποσότητες υδρογόνου στον αέρα για να εκτελέσει αυτές τις χημικές τροποποιήσεις, στη βιομηχανική χημική σύνθεση».
Το Huc θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί ως αισθητήρας υδρογόνου. Το Huc παράγει ηλεκτρικό ρεύμα όταν υπάρχει υδρογόνο. Όταν το Huc τοποθετείται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, αυτό το ρεύμα μπορεί να μετρηθεί για να προσδιοριστεί η συγκέντρωση υδρογόνου.
Επειδή το Huc μπορεί να οξειδώνει το υδρογόνο σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις, ένας αισθητήρας που το ενσωματώνει θα είναι πολύ ευαίσθητος.
Πιθανώς η πιο ενδιαφέρουσα εφαρμογή του Huc είναι η τροφοδοσία μικρών ηλεκτρονικών συσκευών με αέρα ή χαμηλές συγκεντρώσεις υδρογόνου.
Αυτό θα σήμαινε ότι οι συσκευές αυτές θα τροφοδοτούνται από μια εξαιρετικά καθαρή και βιώσιμη πηγή ενέργειας. Επειδή η ποσότητα υδρογόνου που υπάρχει στον αέρα είναι τόσο μικρή, θα μπορούσε να εξαχθεί από αυτόν μόνο μια μικρή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
Ωστόσο, εάν στις συσκευές αυτές προσφερόταν περισσότερο υδρογόνο, που παράγεται στην αναπτυσσόμενη οικονομία υδρογόνου, το Huc θα μπορούσε να παράγει σημαντικά περισσότερη ενέργεια.
«Μόλις παράγουμε το Huc σε επαρκείς ποσότητες», ανέφερε ο Δρ Grinter, «ο ‘ουρανός’ είναι κυριολεκτικά το όριο για τη χρήση του για την παραγωγή καθαρής ενέργειας».
«Εκτός από τις πιθανές εφαρμογές της έρευνας, το έργο αυτό είναι πραγματικά σημαντικό, διότι μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ο πλανήτης μας».
«Το 60% έως 80% των βακτηρίων στα εδάφη, ιδίως στα εδάφη που στερούνται θρεπτικών συστατικών, διαθέτουν ένζυμα όπως το Huc και απορροφούν συνεχώς υδρογόνο».
«Απορροφούν 70 εκατομμύρια τόνους υδρογόνου κάθε χρόνο, και αυτό διαμορφώνει τη σύνθεση της ατμόσφαιράς μας, γεγονός που καθιστά τη διαδικασία αυτή σημαντική για τη διαμόρφωση του κλίματος. Η κατανόηση της βιοχημείας αυτής της διαδικασίας μπορεί να μας επιτρέψει να την αξιοποιήσουμε για να σταθεροποιήσουμε το κλίμα μας στο μέλλον».