Es ist seit langem bekannt, dass ein Stamm von Tuberkulose-Bakterien aus Wasserstoff in der Luft Strom erzeugen kann. Wissenschaftler haben nun herausgefunden, wie das geht.
Forscher, die einen Verwandten des Bakteriums untersuchen, das Lepra und Tuberkulose verursacht, haben ein Enzym gefunden, das Wasserstoff in Elektrizität umwandelt, und sie glauben, dass es zur Erzeugung einer neuen, sauberen Energiequelle fast aus der Luft verwendet werden könnte.
Das Bakterium Mycobacterium smegmatis verwendet das Enzym Huc, um Energie aus atmosphärischem Wasserstoff zu extrahieren, wodurch es in rauen, nährstoffarmen Umgebungen leben kann.
Ein sauerstoffunempfindliches Enzym HUC
Hier beschreiben wir die Struktur und den Mechanismus der Mycobacterium smegmatis Hydrogenase Huc mit Kryo-Elektronenmikroskopie. Huc unterstützt die Hydrierung des respiratorischen Elektronenüberträgers Menachinon in H.2Es ist ein hochwirksames, sauerstoffunempfindliches Enzym, das an der Oxidation bindet
Heute behaupten Wissenschaftler, eine neue Energiequelle entdeckt zu haben, die zum Antrieb einer Vielzahl kleiner tragbarer Elektrowerkzeuge verwendet werden könnte, indem sie das Enzym extrahieren und untersuchen.
Der Hauptautor Rhys Grinter, ein Mikrobiologe an der Monash University in Australien, teilte Live Science per E-Mail mit, dass das Team die Luft für eine Stromversorgung mit Huc unter Verwendung von Luft verwendet, einschließlich biometrischer Sensoren, Umgebungsmonitoren, Digitaluhren, Taschenrechnern und einfachen Computern Er sagte, er stelle sich vor, dass es in der Lage sei, eine Vielzahl kleiner tragbarer Geräte zu betreiben.
Huc erzeugt mehr elektrischen Strom, wenn mehr konzentrierter Wasserstoff eingeführt wird. Dies bedeutet, dass es in Brennstoffzellen verwendet werden könnte, um immer ausgefeiltere Geräte wie Smartwatches, Mobiltelefone, tragbarere komplexe Computer und möglicherweise sogar ein Auto mit Strom zu versorgen.
M. smegmatis ist ein apathogenes, schnell wachsendes Bakterium, das in Labors häufig zur Untersuchung der Zellwandzusammensetzung seines krankheitsverursachenden nahen Verwandten Mycobacterium tuberculosis verwendet wird. M. smegmatis, eine weltweit weit verbreitete Bodenmikrobe, ist seit langem dafür bekannt, Spuren von Wasserstoff in der Luft in Energie umzuwandeln, um in den rauesten Umgebungen wie antarktischen Böden, Vulkankratern und den tiefen Ozeanen zu überleben, wo es kaum andere Brennstoffe gibt verfügbar.
Allerdings war bisher unklar, wie M. smegmatis dies bewerkstelligte.
Um die Chemie zu untersuchen, die den erstaunlichen Fähigkeiten von M. smegmatis zugrunde liegt, verwendeten die Forscher Chromatographie, eine Labortechnik, die es Forschern ermöglicht, die Komponenten einer Mischung zu trennen, um zunächst das für den Prozess verantwortliche Enzym Huc zu isolieren.
Anschließend untersuchten sie die atomare Struktur des Enzyms mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie, einer Methode, für die ihre Entwickler 2017 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Die Forscher untersuchten die atomare Struktur des Enzyms und die elektrischen Wege, die es zum Transport von Elektronen verwendet, so dass sie Elektronen sprengen, um einen Strom auf einer gefrorenen Huc-Probe zu erzeugen, die von M. smegmatis gesammelt wurde.
Das Team fand heraus, dass Huc in seinem Kern ein aktives Zentrum hat, eine Struktur, die geladene Nickel- und Eisenionen beherbergt. Sobald Wasserstoffmoleküle in das aktive Zentrum eintreten, verlieren sie ihre Elektronen, weil sie zwischen Nickel- und Eisenionen gefangen sind. Um einen Strom zu erzeugen, bewegt das Enzym diese Elektronen dann entlang eines Stroms.
Laut Grinter werden Elektronen von Huc (insbesondere dem Nickelion) aufgenommen und durch einen molekularen Draht, der aus Clustern von Eisen- und Schwefelionen besteht, an seine Oberfläche abgegeben. „Wenn wir das huc an einer Elektrode immobilisieren, können Elektronen von der Enzymoberfläche in einen Stromkreis fließen und Strom erzeugen.“
Weitere Untersuchungen zeigten, dass das isolierte Huc-Enzym lange Zeit gelagert werden kann, dem Einfrieren oder Erhitzen auf 80 Grad Celsius standhält und Wasserstoff in Konzentrationen von nur 0,00005 % des in unserer Luft gefundenen Wasserstoffs verbrauchen kann. Die Forscher schlagen vor, dass diese Eigenschaften zusammen mit der Allgegenwärtigkeit und Leichtigkeit des Wachstums der Mikrobe das Enzym zu einer primären Wahl für eine Energiequelle in organischen Batterien machen könnten.
Laut Grinter ist die Menge an Wasserstoff in der Luft, die Huc als Energie gewinnen kann, praktisch unendlich. „Aufgrund des geringen Wasserstoffgehalts in der Luft kann nur wenig Strom produziert werden. Huc kann dann nur noch für Geräte verwendet werden, die über einen längeren Zeitraum wenig Strom benötigen. Huc kann auch in Brennstoffzellen verwendet werden, die höhere Wasserstoffkonzentrationen liefern.“
Quelle: Live-Wissenschaft
Günceleme: 18/03/2023 23:38