Може да е ключът към генерирането на водород на промишлено ниво и използването му като гориво
Едно от горивата с най-добра прогноза за бъдещето е водородът. Двигателите, които го използват, получават своята енергия от химическата реакция между водород и кислород във въздуха, генерирайки само водна пара в процеса. Реакция, която произвежда големи количества енергия и която би ни позволила да имаме автомобили, които не отделят никакви замърсители в околната среда.
Но въпреки че вече има прототипи на водородни двигатели, те все още трябва да решат някои проблеми, така че са склонни да залагат на тях в средносрочен план. Някои от тези проблеми се крият в самата природа на водорода, експлозивен газ, ако е подложен на топлина и чиито атоми са толкова малки, че могат да се промъкнат през стените на двигателя. И двата факта правят работата с тези двигатели малко опасна, въпреки че тя вече е коригирана с помощта на различни предпазни устройства.
Другият голям проблем, който имаме, е как да произвеждаме водород в достатъчна пропорция, за да го използваме като гориво. Във въздуха има много малко водород и за да го генерираме от други химични молекули, трябва да осигурим енергията, за да разрушим молекулата и да получим водорода. Парадоксално е, че енергията, която трябва да доставим, е почти еквивалентна на това, което двигателят ще генерира по-късно, така че ако всички наши автомобили в момента бяха превключени на водородни двигатели, нямаше да имаме замърсяване в градските центрове, а в електроцентралите в периферията, отговорни за даването тази допълнителна енергия.
Поради тази причина те търсят други начини за генериране на водород, при които не предполага, че доставяме електричество. И едно от решенията е да се възползвате от производството на водород, което някои живи същества като водораслите вече извършват. За всичко това, последният научен напредък в тази посока беше много добре приет в водородната надпревара: създаването на трансгенни водорасли, способни да получават водород във високи пропорции, като самата малка фабрика. Неговият трик? Манипулиране на фотосинтезата в наша полза.
Втори курс
Сред огромното разнообразие от водорасли на планетата има някои видове, способни сами да произвеждат водород. Те правят това благодарение на протеин, наречен хидрогеназа, способен да реагира на протони вътре в клетките си, за да образува дихидрогенни молекули, газ, който те отделят навън и който можем да използваме като гориво.
Проблемът е, че този процес при водораслите е нещо изключително и те не го правят непрекъснато. Те го използват като механизъм за безопасност, за да освободят излишните протони от други биохимични реакции вътре в клетката. Възможно е процесът да се форсира, подлагайки водораслите на ситуации на клетъчен стрес, но това би причинило водораслите да умрат в дългосрочен план, без да произвеждат значително количество.
В други случаи сме говорили за контролираната еволюция на протеини, опитвайки се да подобрим техните възможности в наша полза, както в случая на PET хидролазния ензим, за да може да смила пластмасите.
Но това решение не работи в този случай. Възможно е да се подобри хидрогеназата и да се накара тя да отделя много повече водород от нормалното, решение, което няколко изследователски екипа вече са опитали. Но това не решава проблема, тъй като възниква парадокс: хидрогеназата трябва да получава електрони от други химични реакции, за да работи и тя се грижи само за отстраняването на излишните протони. Ако няма излишни протони или електрони, които да се използват, това няма да се активира, независимо колко е ефективно. И ако бъде модифициран така, че да бъде винаги активиран, той би заменил важните функции на клетката, причиняващи нейната смърт.
За да излезе от тази алея, екип от учени от Англия е избрал изненадваща стратегия. Те смятаха, че ако хидрогеназата се нуждае от електрони и протони, за да функционира, е възможно да се слее с друг протеин, който отговаря за снабдяването им с нея и само с нея. По този начин се генерира независима хидрогеназа, която може да създаде големи количества водород, без да засяга останалата част от клетката.
Химери
Имайки предвид тази цел, те създадоха химерен протеин: сливане на два протеина, което се постига чрез комбиниране на двата гена, които го кодират. Ако се съберат по правилния начин, и двата протеина продължават да работят, но получават допълнителни ползи от това да бъдат заедно, образувайки биологичен швейцарски нож.
Химерният протеин в изследването е създаден от комбинацията на гореспоменатата хидрогеназа с фотосистемата I протеин, който освобождава електрони от слънчевата светлина и регулира първата стъпка на фотосинтезата.
И то е, че фотосинтезата не е единична биохимична реакция, а цяла верига от процеси и реакции, които се активират последователно. Първата стъпка се възползва от енергията от слънчевата светлина, за да генерира протони и електрони, които позволяват активирането на следните биохимични реакции, образувайки домино ефект, който завършва с генерирането на глюкоза и превръщането на въглеродния диоксид в кислород.
Водораслите фотосинтезират, така че някои водорасли вече имат и двата протеина, но не са слети. Това кара потока от протони и електрони, генерирани от слънчева светлина през фотосистема 1, да се използва от различни биологични процеси, оставяйки хидрогеназата като втора плоча. Чрез сливане на фотосистема I с хидрогеназа, това, което правим, е да даваме първоначалното снабдяване с електрони и протони директно към нея.
Разбира се, химерният протеин, който те са включили в водораслите, е бонус. Тоест, той продължава да генерира отделно протеини и механизмите за фотосинтеза все още са активни независимо. По този начин се избягва да се повлияе на нормалната работа.
Стратегията беше успешна и клетъчните водорасли с химерния протеин са способни да генерират дихидрогенна молекула на всеки шест милисекунди in vivo. Достатъчно, за да се отвори възможността за масово отглеждане на тези водорасли в биореактор и генериране на водород на индустриално ниво.
В тези реактори трябва само да доставим храна, вода и светлина на нашите водорасли, за да могат те да се размножават и да растат, генерирайки по време на процеса целия водород, от който се нуждаем. Не е необходимо да използваме електричество и не генерираме замърсители в атмосферата в процеса, премахвайки една от пречките при използването на водородни двигатели.
Въпреки това остава много да се направи. Фотосистемата I има проблем и той е, че се инактивира, ако в околната среда има твърде много кислород, което в крайна сметка се случва вътре в реактора, тъй като фотосинтезата го генерира малко по малко. Това прави решението да работи само ако е включена система за извличане на кислород и въвеждане на въглероден диоксид, нещо, което, макар и осъществимо, увеличава цената на процеса.
Понастоящем същите изследователи тестват за създаване на химерни протеини с различни фотосистеми, като ги модифицират, за да гарантират, че кислородът не им влияе толкова и да подобрят производството на водород. Всичко е така, че производството на водород от водораслите преминава от второ ястие в клетката до основно ястие.