Це може бути ключем до отримання водню на промисловому рівні та використання його як палива
Одним з видів палива з найкращими прогнозами на майбутнє є водень. Двигуни, що використовують його, отримують свою енергію в результаті хімічної реакції водню та кисню в повітрі, утворюючи в процесі лише водяну пару. Реакція, яка виробляє велику кількість енергії і яка дозволить нам мати машини, які не викидають забруднюючих речовин у навколишнє середовище.
Але хоча вже є прототипи водневих двигунів, їм ще належить вирішити певні проблеми, тому вони, як правило, віддані їм у середньостроковій перспективі. Деякі з цих проблем полягають у самій природі водню - вибухонебезпечного газу, який піддається нагріванню і атоми якого настільки малі, що здатні проникати крізь стінки двигуна. Обидва факти роблять поводження з цими двигунами дещо небезпечним, хоча це вже виправлено різними запобіжними пристроями.
Інша велика проблема, яку ми маємо, полягає в тому, як виробляти водень у достатній пропорції, щоб використовувати його як паливо. У повітрі дуже мало водню, і для отримання його з інших хімічних молекул нам потрібно забезпечити енергією, щоб розбити молекулу і отримати водень. Парадоксально, але енергія, яку нам потрібно забезпечити, майже еквівалентна тій, яку згодом буде виробляти двигун, тому, якби всі наші машини в даний час були переведені на водневі двигуни, ми не мали б забруднення в міських центрах, а на електростанціях на периферії, відповідальних за подачу що додаткова енергія.
З цієї причини шукаються інші способи отримання водню, в яких ми, мабуть, не постачаємо електроенергію. І одним із рішень є скористатися виробленням водню, яке вже здійснюється деякими живими істотами, такими як водорості. При всьому цьому останні наукові досягнення в цьому напрямку були дуже добре сприйняті в гонці водню: створення трансгенних водоростей, здатних отримувати водень у високих пропорціях, будучи самою невеликою фабрикою. Його фокус? Маніпулюючи фотосинтезом на нашу користь.
Другий курс
Серед величезного різноманіття водоростей на планеті є деякі типи, здатні виробляти водень самі по собі. Вони роблять це завдяки білку, який називається гідрогеназа, здатний реагувати на протони всередині своїх клітин, утворюючи молекули дигідрогену, газ, який вони виділяють назовні і який ми можемо використовувати як паливо.
Проблема в тому, що цей процес у водоростях є чимось винятковим, і вони не роблять цього постійно. Вони використовують його як механізм безпеки, щоб звільнити надлишки протонів від інших біохімічних реакцій всередині клітини. Можна змусити процес, піддаючи водорості ситуаціям стільникового стресу, але це призведе до того, що водорості загинуть довго, не виробляючи значної кількості.
В інших випадках ми говорили про контрольовану еволюцію білків, намагаючись розширити їх можливості на свою користь, як у випадку з ферментом ПЕТ-гідролаза, здатним перетравлювати пластмаси.
Але це рішення не працює в цьому випадку. Можна поліпшити гідрогеназу і зробити так, щоб вона виділяла набагато більше водню, ніж зазвичай, рішення, яке вже спробували кілька дослідницьких груп. Але це не вирішує проблему, оскільки виникає парадокс: гідрогеназа повинна отримувати електрони з інших хімічних реакцій, щоб працювати, і вона піклується лише про видалення надлишку протонів. Якщо немає надлишкових протонів або електронів для використання, це не активується незалежно від того, наскільки це ефективно. І якщо його модифікувати таким чином, щоб він завжди був активований, він замінить важливі функції клітини, що спричиняють її загибель.
Щоб вийти з цієї алеї, команда вчених з Англії обрала дивовижну стратегію. Вони думали, що якщо для роботи гідрогенази потрібні електрони і протони, можна злити її з іншим білком, відповідальним за їх постачання їй і тільки їй. Таким чином утворюється незалежна гідрогеназа, яка може створювати велику кількість водню, не впливаючи на решту клітини.
Химери
З цією метою вони створили химерний білок: злиття двох білків, яке досягається поєднанням двох генів, які його кодують. Якщо їх правильно скласти, обидва білки продовжують працювати, але отримують додаткові переваги, будучи разом, утворюючи біологічний швейцарський армійський ніж.
Білок химери в дослідженні створений із комбінації згаданої гідрогенази з білком фотосистеми I, який вивільняє електрони із сонячного світла та регулює перший крок фотосинтезу.
І полягає в тому, що фотосинтез - це не одна біохімічна реакція, а цілий ланцюг процесів і реакцій, які активуються послідовно. Перший крок використовує енергію сонячного світла для утворення протонів та електронів, які дозволяють активувати наступні біохімічні реакції, утворюючи ефект доміно, який закінчується утворенням глюкози та перетворенням вуглекислого газу в кисень.
Водорості фотосинтезують, тому деякі водорості вже мають обидва білки, але не злиті. Що призводить до того, що потік протонів та електронів, що генеруються сонячним світлом, через фотосистему 1 використовується різними біологічними процесами, залишаючи гідрогеназу другою пластиною. Зливаючи фотосистему I з гідрогеназою, ми робимо те, що забезпечуємо вихідний запас електронів і протонів безпосередньо до неї.
Звичайно, білок химери, який вони включили в водорості, є бонусом. Тобто він продовжує генерувати білки окремо, а механізми фотосинтезу все ще активні незалежно. Таким чином вдається уникнути впливу на нормальну роботу.
Стратегія мала успіх, і клітинні водорості з білком химери здатні генерувати молекулу дигідрогену кожні шість мілісекунд in vivo. Достатньо, щоб відкрити можливість широко вирощувати ці водорості в біореакторі та виробляти водень на промисловому рівні.
У цих реакторах нам потрібно лише забезпечувати водоростями їжу, воду і світло, щоб вони могли розмножуватися і рости, виробляючи під час процесу весь необхідний нам водень. Нам не потрібно використовувати електроенергію, і ми не генеруємо забруднюючих речовин в атмосферу в процесі, усуваючи одну з перешкод у використанні водневих двигунів.
Незважаючи на це, ще багато чого потрібно зробити. У фотосистеми I є проблема, яка полягає в тому, що вона інактивується, якщо в навколишньому середовищі занадто багато кисню, що з часом трапляється всередині реактора, оскільки фотосинтез поступово генерує його. Це змушує рішення працювати тільки в тому випадку, якщо в систему входить система вилучення кисню та введення вуглекислого газу, що, хоча і здійсненно, збільшує вартість процесу.
В цей час ті самі дослідники випробовують, щоб створити білки химери з різними фотосистемами, модифікуючи їх, щоб переконатись, що кисень не впливає на них так сильно і покращити вироблення водню. Все так, що виробництво водню з водоростей переходить від другої страви всередині клітини до головної страви.