Listrik dari Udara Tipis: Enzim bakteri yang dapat mengekstraksi energi dari hidrogen atmosfer

Chris Groening, Ashley Krupp, dan Reese Grunter di The Conversation

Ini mungkin tampak mengejutkan, tetapi ketika masa sulit dan tidak ada makanan lain yang tersedia, beberapa bakteri tanah dapat mengkonsumsi jejak hidrogen di udara sebagai sumber energi.

Faktanya, bakteri menghilangkan 70 juta ton hidrogen per tahun dari atmosfer, sebuah proses yang benar-benar menyusun udara yang kita hirup.

Kami telah mengisolasi enzim yang memungkinkan beberapa bakteri mengonsumsi hidrogen dan mengekstraksi energi darinya, dan menemukan bahwa enzim tersebut dapat secara langsung menghasilkan arus listrik ketika terkena bahkan sejumlah kecil hidrogen.

Seperti yang kami laporkan di koran baru di alamenzim tersebut mungkin memiliki potensi besar untuk menggerakkan perangkat bertenaga udara yang kecil dan berkelanjutan di masa mendatang.

Baca juga | Misi Hidrogen adalah inisiatif besar

Gen bakteri mengandung rahasia untuk mengubah udara menjadi listrik. Didorong oleh penemuan ini, kami menganalisis kode genetik bakteri tanah yang disebut Mycobacterium smegmatis, yang menyerap hidrogen dari udara.

Tertulis dalam gen-gen ini adalah cetak biru untuk memproduksi mesin molekuler yang bertanggung jawab mengonsumsi hidrogen dan mengubahnya menjadi energi bagi bakteri. Mesin ini adalah enzim yang disebut “hidrogenase”, yang kami beri nama Huc singkatnya.

Hidrogen adalah molekul paling sederhana, terdiri dari dua proton bermuatan positif yang disatukan oleh ikatan dua elektron bermuatan negatif. Huc memutuskan ikatan ini, proton berpisah, dan elektron dilepaskan.

Pada bakteri, elektron bebas ini mengalir ke sirkuit kompleks yang disebut rantai transpor elektron, dan dimanfaatkan untuk memasok energi ke sel.

Elektron yang mengalir adalah bahan pembuat listrik, yang berarti Huc mengubah hidrogen secara langsung menjadi arus listrik.

Hidrogen hanya membentuk 0,00005% dari atmosfer. Mengkonsumsi gas ini dalam konsentrasi rendah merupakan tantangan besar yang tidak dapat dicapai oleh katalis yang diketahui. Terlebih lagi, oksigen, yang melimpah di atmosfer, meracuni aktivitas sebagian besar katalis yang mengonsumsi hidrogen.

Isolasi enzim yang memungkinkan bakteri hidup di udara.

Baca juga | Hidrogen hijau sangat penting untuk pembangunan ekonomi di India, dan keamanan energi: sebuah survei ekonomi

Kami ingin tahu bagaimana Huc mengatasi tantangan ini, jadi kami memutuskan untuk mengisolasinya dari sel M. smegmatis.

Proses melakukan ini rumit. Kami pertama-tama memodifikasi gen dalam M. smegmatis yang memungkinkan bakteri membuat enzim ini. Dengan melakukan itu kami menambahkan urutan kimia tertentu ke Huc, yang memungkinkan kami mengisolasinya dari sel M. smegmatis.

Melihat Huc dengan baik tidaklah mudah. Butuh beberapa tahun dan beberapa kebuntuan eksperimental sebelum kami akhirnya dapat mengisolasi sampel berkualitas tinggi dari enzim baru.

Namun, kerja keras itu tidak sia-sia, karena Huc yang akhirnya kami produksi sangat stabil. Tahan suhu dari -80°C hingga -80°C tanpa kehilangan aktivitas.

Diagram molekuler ekstraksi hidrogen dari udara

Dengan Huc diisolasi, kami mulai mempelajarinya dengan sungguh-sungguh, untuk menemukan dengan tepat apa yang dapat dilakukan oleh enzim tersebut. Bagaimana hidrogen di udara dapat diubah menjadi sumber listrik yang berkelanjutan?

Hebatnya, kami menemukan bahwa bahkan ketika diisolasi dari bakteri, Huc dapat menyerap hidrogen pada konsentrasi yang jauh lebih rendah daripada jejak kecil di udara. Nyatanya, Huc masih mengeluarkan bau hidrogen yang terlalu lemah untuk kromatografi gas kita, instrumen sangat sensitif yang kita gunakan untuk mengukur konsentrasi gas, untuk dideteksi.

Kami juga menemukan bahwa Huc sama sekali tidak terikat oleh oksigen, sifat yang tidak terlihat pada katalis lain yang mengonsumsi hidrogen.

Untuk menilai kemampuan mereka mengubah hidrogen menjadi listrik, kami menggunakan teknik yang disebut elektrokimia. Ini menunjukkan bahwa Huc dapat mengubah konsentrasi hidrogen yang sangat kecil di udara secara langsung menjadi listrik, yang dapat menggerakkan sirkuit listrik. Ini adalah prestasi yang luar biasa dan belum pernah terjadi sebelumnya untuk katalis yang mengonsumsi hidrogen.

Kami menggunakan beberapa pendekatan mutakhir untuk mempelajari bagaimana Huc melakukannya pada tingkat molekuler. Ini termasuk mikroskop canggih (mikroskop elektron dingin) dan spektroskopi untuk menentukan struktur atom dan jalur listriknya, mendorong batas untuk menghasilkan struktur enzim paling akurat yang pernah dilaporkan dengan metode ini.

Enzim dapat menggunakan udara untuk memberi daya pada perangkat masa depan

Baca juga | Essar menginvestasikan $3,6 miliar dalam transformasi energi di Inggris dan India

Ini masih awal untuk penelitian ini, dan masih banyak tantangan teknis yang perlu diatasi untuk mewujudkan potensi Huc.

Untuk satu hal, kita perlu meningkatkan produksi Huc secara signifikan. Di lab, kami memproduksi Huc dalam jumlah miligram, tetapi kami ingin menskalakannya menjadi gram dan akhirnya kilogram.

Namun, penelitian kami menunjukkan bahwa Huc bertindak seperti “baterai alami” yang menghasilkan arus listrik berkelanjutan dari udara atau hidrogen yang ditambahkan.

Akibatnya, Huc memiliki potensi besar dalam mengembangkan perangkat bertenaga angin yang kecil dan berkelanjutan sebagai alternatif energi matahari.

Jumlah energi yang disediakan oleh hidrogen di udara mungkin kecil, tetapi mungkin cukup untuk menyalakan layar biometrik, jam, bola LED, atau komputer sederhana. Dengan lebih banyak hidrogen, Huc menghasilkan lebih banyak listrik dan dapat memberi daya pada peralatan yang lebih besar.

Aplikasi lain adalah pengembangan sensor fotolistrik berbasis Huc untuk deteksi hidrogen, yang bisa sangat sensitif. Huc bisa sangat berharga untuk mendeteksi kebocoran infrastruktur ekonomi hidrogen kita yang sedang booming atau dalam pengaturan medis.

Singkatnya, penelitian ini menunjukkan bagaimana penemuan mendasar tentang bagaimana bakteri di tanah memberi makan diri mereka sendiri dapat mengarah pada konsep ulang kimiawi kehidupan. Pada akhirnya, itu juga dapat mengarah pada pengembangan teknologi untuk masa depan.

(Chris Greening adalah Profesor Mikrobiologi, Ashley Krupp adalah mahasiswa PhD di Biomedical Discovery Institute dan Rhys Grainter adalah Kepala Laboratorium di Biomedical Discovery Institute di Monash University.)