Ljudi neprestano emituju gasove staklene bašte, pogoršavajući globalno zagrevanje. Na primer, ugljen-dioksid (CO 2 ) se dramatično akumulira tokom godina i hemijski je veoma stabilan. Ipak, neki mikrobi hvataju CO 2 koristeći visoko efikasne enzime. Naučnici sa Instituta Maks Plank za morsku mikrobiologiju u Bremenu zajedno sa univerzitetima u Ženevi i Radboud izolovali su jedan od ovih enzima.
Kada je enzim elektronski razgranat na elektrodi, posmatrali su pretvaranje CO 2 u format sa savršenom efikasnošću. Ovaj fenomen će inspirisati nove sisteme za fiksaciju CO 2 zbog svoje izuzetne usmerenosti i brzine. Rezultati su sada objavljeni u Angevandte Chemie.
Traženje mikroorganizama koji efikasno hvataju gas staklene bašte CO 2
„Enzimi koje koriste mikroorganizmi predstavljaju fantastično igralište za naučnike jer omogućavaju veoma specifične reakcije brzim tempom“, kaže Tristan Vagner, šef grupe za istraživanje mikrobiološkog metabolizma Maks Planka na Maks Plankovom institutu za mikrobiologiju mora (MPIMM) .
Neki od ovih enzima imaju zanimljiv način hvatanja CO 2 : oni ga transformišu u format, stabilno i bezbedno jedinjenje koje se može koristiti za skladištenje energije ili za sintezu različitih molekula u industrijske ili farmaceutske svrhe. Jedan primer je Methermicoccus shengliensis, metanogen (mikrob koji proizvodi metan) izolovan iz naftnog polja i raste na 50 °C.
Njega su gajile i proučavale tokom proteklih godina Julia Kurth i Cornelia Velte na Univerzitetu Radboud u Holandiji. Na Institutu Maks Plank za morsku mikrobiologiju, Olivije Lemer, Melisa Belhamri i Tristan Vagner su secirali mikrob da bi pronašli njegov enzim koji hvata CO 2 i izmerili koliko brzo i efikasno može da transformiše CO 2 .
Enzim za pretvaranje CO 2 sa velikim potencijalom
Naučnici Maks Plank preuzeli su izazovan zadatak da izoluju mikrobni enzim. „Pošto smo znali da su takvi enzimi osetljivi na kiseonik, morali smo da radimo unutar anaerobnog šatora bez ambijentalnog vazduha da bismo ga odvojili od ostalih proteina – prilično komplikovano, ali smo uspeli“, kaže Olivije Lemer. Kada su izolovani, naučnici su okarakterisali svojstva enzima.
Oni su pokazali da efikasno generiše format iz CO 2, ali vrši obrnutu reakciju veoma sporom brzinom i slabim prinosom. „Poznato je da slični enzimi koji pripadaju porodici format dehidrogenaza deluju u oba smera, ali smo pokazali da je enzim iz Methermicoccus shengliensis skoro jednosmeran i da ne može efikasno da pretvori format nazad u CO 2 ,“ izveštava Melisa Belhamri. „Bili smo prilično oduševljeni ovim fenomenom, koji se javlja samo u odsustvu kiseonika“, dodaje ona.
„Pošto format koji se generiše fiksacijom CO 2 ne može da se transformiše nazad i da se stoga akumulira, takav sistem bi bio veoma interesantan kandidat za hvatanje CO 2, posebno ako bismo ga mogli razgranati na elektrodi“, ističe Tristan Vagner.
Prednost toga: sa enzimom koji je prirodno ili hemijski vezan za elektrodu, „energija“ potrebna za hvatanje CO 2 će biti direktno isporučena od strane elektrode, bez gubitka električne struje ili potrebe za skupim ili toksičnim hemijskim jedinjenjima kao relejima. Shodno tome, elektrode vezane za enzime su efikasni i atraktivni sistemi za postupke konverzije gasa. Stoga je prečišćeni enzim poslat na Univerzitet u Ženevi da bi uspostavio sistem za hvatanje CO 2 na bazi elektroda.
Selmihan Sahin i Ros Milton sa Univerziteta u Ženevi su specijalisti za elektrohemiju. Oni koriste elektrode povezane sa električnom strujom za obavljanje hemijskih reakcija. Generisanje formata iz CO 2 na bazi elektroda često zahteva zagađujuće i retke metale, i zato su pokušali da zamene ove metale enzimom ekstrahovanim u grupi Tristana Vagnera u MPIMM.
Procedura vezivanja enzima na elektrodi nije uvek toliko efikasna kako se očekivalo, ali enzim iz Vagnerove istraživačke grupe ima specifične karakteristike koje bi mogle da olakšaju proces. Naučnici iz Švajcarske uspeli su da fiksiraju enzim na grafitnoj elektrodi, gde je izvršio konverziju gasa.
Izmerene stope su bile uporedive sa onima dobijenim sa klasičnim format dehidrogenazama. „Snaga ovog biološkog sistema spojenog na elektrodu leži u njegovoj efikasnosti u prenošenju elektrona iz električne energije ka transformaciji CO 2“, ističe Lemer.
Sahin i Milton su takođe potvrdili da sistem slabo izvodi obrnutu reakciju, kao što je ranije primećeno u reakcionoj cevi. Shodno tome, modifikovana elektroda je kontinuirano pretvarala gas staklene bašte u format bez ikakvih generisanih nusproizvoda ili gubitka električne struje.
Ka novom rešenju za korišćenje atmosferskog CO 2
Zajednički rad pruža novo molekularno oruđe naučnoj zajednici: enzim koji pretvara CO 2 prenosom električne energije sa visokom efikasnošću. Obnovljiva zelena energija (npr. vetar ili solarna) mogla bi da obezbedi električnu energiju sistemu zasnovanom na elektrodama koji bi CO 2 pretvorio u format, molekul koji se može direktno koristiti za aplikacije ili za skladištenje energije.
„Pre nas niko nikada nije pokušao da proučava enzim iz takvog metanogena za konverziju gasa na bazi elektroda“, kaže Tristan Vagner. „Ipak, metanogeni su prirodni izuzetni pretvarači gasa.“
Koliko god moćni mogli da budu, korišćenje enzima za velike procese bi takođe zahtevalo sisteme za proizvodnju enzima sličnog obima, što je znatna investicija. Stoga, dok bi otkrivena strategija, u teoriji, mogla značajno da poboljša transformaciju CO 2, pre njene primene je neophodno duboko poznavanje mehanizma enzima, a tim istraživača će sada morati da detaljno secira molekularne tajne reakcije.
