Entdecktes Enzym wandelt Luft in Elektrizität um, eine neue saubere Möglichkeit, Energieträume wahr werden zu lassen

Australische Wissenschaftler haben ein Enzym entdeckt, das Luft in Energie umwandelt, indem es die geringen Mengen an Wasserstoff in der Atmosphäre nutzt, um elektrischen Strom zu erzeugen.

Das fragliche Enzym heißt Huc (ausgesprochen „Huck“). Es wird von Bakterien hergestellt und hilft ihnen beim Wachstum und Überleben im Boden, in den Ozeanen, in Vulkankratern und sogar in der Antarktis.

Mikrobiologen von Monash haben nun herausgefunden, dass es aus dünner Luft Strom erzeugen kann.

Die wichtige Entdeckung wird in der Zeitschrift Nature beschrieben. Das Forschungsteam wurde von Dr. Rhys Grinter aus Monash, der Doktorandin Ashleigh Kropp und Professor Chris Greening vom Biomedicine Discovery Institute geleitet.

Das Labor von Professor Greening ist darauf spezialisiert, wie Bakterien Energie gewinnen. Das Labor von Dr. Grinter konzentriert sich auf die molekularen Maschinen, aus denen Bakterien bestehen, und auf deren Funktionsweise.

„Wir wissen seit einiger Zeit, dass Bakterien den Spurenwasserstoff in der Luft als Energiequelle nutzen können“, sagte Professor Greening. „Aber wir wussten bis jetzt nicht, wie sie das machten.“

Huc fungiert als Fänger von Wasserstoffgas und kann im Gegensatz zu allen anderen bekannten Enzymen und chemischen Katalysatoren das Gas unterhalb des atmosphärischen Niveaus verbrauchen.

Auf diese Weise ähnelt es einer natürlichen Batterie, die aus Luft oder zugesetztem Wasserstoff einen kleinen elektrischen Strom erzeugt. Die Wissenschaft ist sich nicht sicher, wie es funktioniert. Diese Erkenntnis eröffnet den Weg zur Entwicklung von Geräten, die buchstäblich Energie in Form von Elektrizität aus dünner Luft erzeugen.

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„Was wir wirklich wollten, war, Huc aus einem Bakterium zu isolieren, das in der Lage ist, atmosphärischen Wasserstoff abzufangen“, sagt Dr. Grinter. „Das ist eine Herausforderung, denn oft sind diese Umweltbakterien schwer zu kultivieren. Deshalb haben wir eine Reihe neuer Methoden entwickelt, um zunächst die Bakterien zu züchten, sie dann aufzubrechen und dann mithilfe von Chemie zu versuchen, diese einzelne Komponente zu isolieren.“

Das ausgewählte Bakterium war Mycobacterium smegmatis, das 1884 in Österreich von einem Arzt, Sigmund Lustgarten, entdeckt wurde, der sich mit Hautkrankheiten befasste. Obwohl M. smegmatis in diesem Zusammenhang isoliert ist, lebt er im Allgemeinen im Boden, verursacht keine Krankheiten und ist aufgrund seiner Verwendung als Modellorganismus für seinen Cousin Tuberkulose relativ gut untersucht.

„Außerdem“, sagt er, „ist es für die Untersuchung von Bakterien oder die Reinigung ihrer Bestandteile wichtig, ihre Genome verändern zu können.“ Fügen Sie Gene hinzu, entfernen Sie sie und fügen Sie ein wenig zusätzliche DNA ein, die es Ihnen ermöglicht, die Komplexe zu reinigen. Diese Werkzeuge gibt es für M. smegmatis.“

Teammitglied Ashleigh Kropp erledigte einen Großteil der Laborarbeit, einschließlich der Extraktion von Huc aus den Bakterienzellen.

„Wir haben herausgefunden, dass Huc eine zusätzliche Komponente enthält, von deren Existenz wir nicht wussten“, sagt er.

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„Damit bildet Huc einen großen Komplex, und wenn wir ihn entfernen, bildet Huc keinen so großen Komplex mehr. Es stellt sich heraus, dass diese Komponente und der Komplex wirklich wichtig für die Funktionsweise von Huc in den Zellen sind.“

Die Laborarbeit zeigte, dass gereinigtes Huc über lange Zeiträume gelagert werden kann.

„Es ist sehr stabil. Man kann das Enzym einfrieren oder auf 80° Celsius erhitzen und es behält seine Fähigkeit zur Energieerzeugung“, sagt Kropp. „Dies spiegelt wider, dass dieses Enzym Bakterien hilft, in den extremsten Umgebungen zu überleben.“

„Obwohl es noch viel zu tun gibt, um dies zu erreichen, gibt es eine Reihe potenzieller Anwendungen“, sagt Dr. Grinter. „Die Synthese von Feinchemikalien erfordert sehr spezifische Modifikationen an einem Molekül, die chemisch schwierig durchzuführen sein können. Huc könnte die Elektronen aus kleinen Mengen Wasserstoff in der Luft nutzen, um diese chemischen Modifikationen in der industriellen chemischen Synthese durchzuführen.“

Huc könnte auch als Sensor für Wasserstoff verwendet werden. Huc erzeugt elektrischen Strom, wenn Wasserstoff vorhanden ist. Wenn Huc in einen Stromkreis eingespeist wird, kann dieser Strom gemessen werden, um die Wasserstoffkonzentration zu bestimmen.

Da Huc Wasserstoff in extrem geringe Konzentrationen oxidieren kann, wäre ein Sensor, der es enthält, sehr empfindlich.

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Die vielleicht interessanteste Anwendung von Huc ist die Stromversorgung kleiner elektronischer Geräte mit Luft oder geringen Wasserstoffkonzentrationen.

Das würde bedeuten, dass diese Geräte von einer supersauberen und nachhaltigen Energiequelle angetrieben werden. Da die Menge an Wasserstoff in der Luft so gering ist, könnte daraus nur wenig Strom gewonnen werden.

„Sobald wir Huc in ausreichenden Mengen produzieren“, sagt Dr. Grinter, „sind der Nutzung zur Erzeugung sauberer Energie im wahrsten Sinne des Wortes keine Grenzen gesetzt.“

„Neben den möglichen Anwendungen der Forschung ist diese Arbeit wirklich wichtig, weil sie uns helfen kann, zu verstehen, wie unser Planet funktioniert.

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„Zwischen 60 und 80 % der Bakterien in Böden, insbesondere in nährstoffarmen Böden, verfügen über Enzyme wie Huc und absorbieren ständig Wasserstoff.

„Sie absorbieren jedes Jahr 70 Millionen Tonnen Wasserstoff und prägen dadurch die Zusammensetzung unserer Atmosphäre, was diesen Prozess für die Modulation des Klimas wichtig macht.“ Wenn wir die Biochemie dieses Prozesses verstehen, können wir ihn möglicherweise nutzen, um unser Klima in Zukunft zu stabilisieren.“

(Ursprünglich veröffentlicht auf Monash Lens, CC-Lizenz)

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