Científicos australianos han descubierto una enzima que convierte el aire en energía. El hallazgo, publicado en la revista Nature , revela que esta enzima utiliza las bajas cantidades de hidrógeno en la atmósfera para crear una corriente eléctrica. Este hallazgo abre el camino para crear dispositivos que literalmente generen energía completamente limpia.
El equipo de investigación, dirigido por el Dr. Rhys Grinter, la estudiante de doctorado Ashleigh Kropp y el profesor Chris Greening del Instituto de Descubrimiento de Biomedicina de la Universidad de Monash en Melbourne, Australia, produjo y analizó una enzima consumidora de hidrógeno de una bacteria común del suelo.
El trabajo reciente del equipo ha demostrado que muchas bacterias utilizan el hidrógeno de la atmósfera como fuente de energía en entornos pobres en nutrientes.
«Sabemos desde hace algún tiempo que las bacterias pueden usar las trazas de hidrógeno en el aire como fuente de energía para ayudarlas a crecer y sobrevivir, incluso en los suelos antárticos, los cráteres volcánicos y las profundidades del océano», dijo el profesor Greening. «Pero no sabíamos cómo hicieron esto, hasta ahora».
En este artículo de Nature , los investigadores extrajeron la enzima responsable de utilizar el hidrógeno atmosférico de una bacteria llamada Mycobacterium smegmatis . Demostraron que esta enzima, llamada HUC, convierte el hidrógeno gaseoso en una corriente eléctrica.
Visualización crio-EM y reconstrucción 3D del oligómero Huc. ( a ) Micrografías con corrección de movimiento de oligómeros de Huc purificados vitrificados, que muestran Huc asociado con vesículas de membrana (panel izquierdo) y Huc libre (panel derecho). ( b ) Promedios de clase 2D seleccionados de oligómero Huc, que muestran simetría C4 y tallo flexible asociado a membrana. ( c ) Flujo de trabajo de procesamiento de datos para la reconstrucción del oligómero Huc. ( d ) La distribución del ángulo de Euler de las partículas utilizadas para la reconstrucción del oligómero Huc. (e) Las curvas de correlación de capa de Fourier (FSC) estándar de oro calculadas a partir de dos semimapas refinados de forma independiente indican una resolución general de 2,19 Å en FSC = 0,143, y la gráfica de Guinier indica un factor B de nitidez de 57,2. ( f ) Un mapa de resolución local del oligómero de Huc, que muestra un rango de resolución de ~ 1.8 a 4.8 Å desde el núcleo de Huc hasta la periferia, indicativo de un movimiento entre dominios significativo.
El Dr. Grinter señala: «Huc es extraordinariamente eficiente. A diferencia de todas las demás enzimas y catalizadores químicos conocidos, incluso consume hidrógeno por debajo de los niveles atmosféricos, tan solo el 0,00005 % del aire que respiramos».
Los investigadores utilizaron varios métodos de vanguardia para revelar el modelo molecular de la oxidación del hidrógeno atmosférico.
Utilizaron microscopía avanzada (crio-EM) para determinar su estructura atómica y vías eléctricas, empujando los límites para producir la estructura enzimática más resuelta reportada por este método hasta la fecha. También utilizaron una técnica llamada electroquímica para demostrar que la enzima purificada crea electricidad en concentraciones mínimas de hidrógeno.
El trabajo de laboratorio realizado por la Sra. Kropp muestra que es posible almacenar Huc purificado durante períodos prolongados. «Es asombrosamente estable. Es posible congelar la enzima o calentarla a 80 grados centígrados y conserva su poder para generar energía», dijo la Sra. Kropp. “Esto refleja que esta enzima ayuda a las bacterias a sobrevivir en los ambientes más extremos”.
Huc sería como una «batería natural» que produce una corriente eléctrica sostenida a partir de aire o hidrógeno agregado.
Estructura 3D de la enzimaHuc. (a) Mapas de la reconstrucción del oligómero Huc de 2,19 Å para un lóbulo Huc (HucS 2 L 2 ) y 2 moléculas HucM. ( b ) Hélices de HucS y HucM con densidad asociada de la reconstrucción de oligómeros. ( c ) Mapas de la reconstrucción del dímero Huc de 1,52 Å. ( d ) Ejemplos de densidad correspondiente a aminoácidos de la reconstrucción del dímero Huc contorneados en 5 o 15 σ. ( e ) La región del tallo de los mapas de densidad Cryo-EM de la Fig. 4 complementaria. ( f ) Un compuesto de las regiones del mapa del cuerpo y del tallo de Huc del conjunto de datos de 2.19 Å. (g) Una vista recortada del mapa compuesto del panel f, que muestra la cámara cerrada y el centro del complejo Huc. ( h ) Una vista de superficie del modelo AlphaFold de la región del tallo C-terminal de HucM que se muestra como una superficie electrostática recortada (izquierda) y la superficie interna revestida con residuos hidrofóbicos (derecha). (i) La región C-terminal de HucM como en el panel d, que muestra la región cargada positivamente en la base del tallo (izquierda) y la alta frecuencia de residuos de arginina y lisina en esta región (derecha).
Si bien esta investigación se encuentra en una etapa inicial, el descubrimiento de Huc tiene un potencial considerable para desarrollar pequeños dispositivos impulsados por el H2 del aire, por ejemplo, como una alternativa a los dispositivos alimentados por energía solar.
Las bacterias que producen enzimas como Huc son comunes y se pueden cultivar en grandes cantidades, lo que significa que tenemos acceso a una fuente sostenible de la enzima.
El Dr. Grinter dice que un objetivo clave para el trabajo futuro es aumentar la producción de Huc. «Una vez que producimos Huc en cantidades suficientes, el cielo es literalmente el límite para usarlo para producir energía limpia».
FUENTES:
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05781-7/figures/8
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05781-7/figures/7
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