Elettricità

Elettricità dal nulla: un enzima può estrarre energia dall’idrogeno nell’atmosfera

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Può sembrare sorprendente, ma quando i tempi sono difficili e non c’è altro cibo disponibile, alcuni batteri del suolo possono consumare tracce di idrogeno nell’aria come fonte di energia.

Infatti, i batteri rimuovono l’incredibile cifra di 70 milioni di tonnellate di idrogeno dall’atmosfera, un processo che modella letteralmente la composizione dell’aria che respiriamo.

É stato isolato un enzima che consente ad alcuni batteri di consumare idrogeno ed estrarne energia, ed è stato scoperto che può produrre direttamente corrente elettrica se esposto a quantità anche minime di idrogeno.

Come riportato in un nuovo articolo su Nature, l’enzima potrebbe avere un notevole potenziale per alimentare in futuro piccoli dispositivi alimentati ad aria sostenibili.

Indice

I geni batterici contengono il segreto per trasformare l’aria in elettricità

Spinti da questa scoperta, hanno analizzato il codice genetico di un batterio del suolo chiamato Mycobacterium smegmatis, che consuma idrogeno dall’aria.

Scritto in questi geni è il progetto per la produzione della macchina molecolare responsabile del consumo di idrogeno e della sua conversione in energia per il batterio. Questa macchina è un enzima chiamato “idrogenasi“, e l’hanno chiamato Huc in breve.

L’idrogeno è la molecola più semplice, costituita da due protoni caricati positivamente tenuti insieme da un legame formato da due elettroni caricati negativamente. Huc rompe questo legame, i protoni si separano e gli elettroni vengono rilasciati.

L'enzima Huc è stato isolato dal batterio M. smegmatis
L’enzima Huc è stato isolato dal batterio M. smegmatis. Rhys Grinter

Nei batteri, questi elettroni liberi fluiscono quindi in un circuito complesso chiamato “catena di trasporto degli elettroni” e vengono imbrigliati per fornire energia alla cellula.

Gli elettroni che scorrono sono ciò di cui è fatta l’elettricità, il che significa che Huc converte direttamente l’idrogeno in corrente elettrica.

L’idrogeno rappresenta solo lo 0,00005% dell’atmosfera. Il consumo di questo gas a queste basse concentrazioni è una sfida formidabile, che nessun catalizzatore conosciuto può raggiungere. Inoltre, l’ossigeno, che è abbondante nell’atmosfera, avvelena l’attività della maggior parte dei catalizzatori che consumano idrogeno.

Isolare l’enzima che permette ai batteri di vivere nell’aria

Volevano sapere come Huc supera queste sfide, quindi hanno deciso di isolarlo dalle cellule di M. smegmatis.

Il processo per farlo è stato complicato. Per prima cosa hanno modificato i geni in M. smegmatis che consentono ai batteri di produrre questo enzima. In questo modo hanno aggiunto una specifica sequenza chimica a Huc, che ci ha permesso di isolarlo dalle cellule di M. smegmatis.

Osservare bene Huc non è stato facile. Ci sono voluti diversi anni e parecchi vicoli ciechi sperimentali prima di isolare finalmente un campione di alta qualità dell’ingegnoso enzima.

Tuttavia, il duro lavoro ne è valsa la pena, poiché l’Huc che alla fine abbiamo prodotto è molto stabile. Resiste a temperature da 80℃ fino a -80℃ senza perdita di attività.

Il modello molecolare per estrarre l’idrogeno dall’aria

Con Huc isolato, hanno iniziato a studiarlo seriamente, per scoprire di cosa è capace esattamente l’enzima. Come può trasformare l’idrogeno nell’aria in una fonte sostenibile di elettricità?

Sorprendentemente, hanno scoperto che anche se isolato dai batteri, Huc può consumare idrogeno a concentrazioni di gran lunga inferiori anche alle minuscole tracce nell’aria. In effetti, Huc consumava ancora zaffate di idrogeno troppo deboli per essere rilevate dal nostro gascromatografo, uno strumento altamente sensibile che usiamo per misurare le concentrazioni di gas.

Hanno anche scoperto che Huc è completamente disinibito dall’ossigeno, una proprietà che non si vede in altri catalizzatori che consumano idrogeno.

Una mappa della struttura atomica dell'enzima Huc. Rhys Grinter, CC BY NC
Una mappa della struttura atomica dell’enzima Huc. Rhys Grinter, CC BY NC

Per valutare la sua capacità di convertire l’idrogeno in elettricità, hanno usato una tecnica chiamata elettrochimica. Ciò ha dimostrato che Huc può convertire piccole concentrazioni di idrogeno nell’aria direttamente in elettricità, che può alimentare un circuito elettrico. Questo è un risultato notevole e senza precedenti per un catalizzatore che consuma idrogeno.

Hanno usato diversi metodi all’avanguardia per studiare come Huc fa questo a livello molecolare. Questi includevano la microscopia avanzata (microscopia elettronica criogenica) e la spettroscopia per determinarne la struttura atomica e le vie elettriche, spingendo i confini per produrre la struttura enzimatica più altamente risolta mai riportata da questo metodo.

Gli enzimi potrebbero utilizzare l’aria per alimentare tramite elettricità i dispositivi di domani

È l’inizio di questa ricerca e diverse sfide tecniche devono essere superate per realizzare il potenziale di Huc.

Per prima cosa, si dovrebbe aumentare significativamente la scala della produzione di Huc. In laboratorio si produce Huc in quantità di milligrammi, ma vogliono scalare fino a grammi e infine chilogrammi.

Tuttavia, il lavoro dimostra che Huc funziona come una “batteria naturale” che produce una corrente elettrica sostenuta dall’aria o dall’idrogeno aggiunto.

Di conseguenza, Huc ha un notevole potenziale nello sviluppo di piccoli dispositivi alimentati ad aria sostenibili come alternativa all’energia solare.

La quantità di energia fornita dall’idrogeno nell’aria sarebbe piccola, ma probabilmente sufficiente per alimentare un monitor biometrico, un orologio, un globo LED o un semplice computer. Con più idrogeno, Huc produce più elettricità e potrebbe potenzialmente alimentare dispositivi più grandi.

Autore

Chris Greening, Ashleigh Kropp, Rhys GrinterUniversità di Monash