PDF Basket
Odnawialne paliwo wodorowe jest od wielu lat wymieniane jako obiecujący nośnik czystej energii. Wykorzystanie energii elektrycznej do separacji wodoru od wody pozwoliłoby nam czerpać, magazynować i łatwo transportować energię ze zmiennych źródeł odnawialnych, takich jak energia słoneczna i wiatrowa. Dałoby to możliwość ograniczenia zależności od węgla, ropy i gazu, a także pomogło w walce z problemem globalnego ocieplenia.
Jak produkować wodór na dużą skalę w sposób przyjazny dla środowiska i opłacalny ekonomicznie? Odpowiedź na to pytanie jest niezbędna do osiągnięcia celu UE dotyczącego budowy zrównoważonej i neutralnej dla klimatu gospodarki.
Koordynator projektu CaBiS Gustav Berggren pracuje na Uniwersytecie Uppsala w Szwecji nad innowacyjnym rozwiązaniem: polega ono na zastąpieniu rzadkich metali, takich jak platyna i iryd, potrzebnych w katalizatorach stosowanych w elektrolizie alternatywną metodą, która łączy naturalne procesy biologiczne z chemią syntetyczną.
Centralnym elementem tego podejścia są półsyntetyczne metaloenzymy, które naśladują mechanizmy wytwarzania wodoru w żywych komórkach. Ten obszar badań został niedawno wyróżniony Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2018 r. przyznaną Frances Arnold za pracę wykorzystującą ukierunkowaną ewolucję do tworzenia sztucznych enzymów.
„Sięgamy po narzędzia chemii syntetycznej, aby uprościć przygotowanie enzymu, ale także do jego generowania zmodyfikowanych wersji, które nazywamy mutantami metaloorganicznymi”, wyjaśnia Berggren. Metodologia ta różni się od wielu dotychczasowych prób, często polegających na opracowywaniu od podstaw enzymów przetwarzających wodór.
Zespołowi Berggrena udało się włączyć funkcjonalne sztuczne metaloenzymy do cytoplazmy bakterii, co stanowi rzadki przykład działania sztucznych enzymów wewnątrz żywych komórek. Postępy te pozwoliły przyspieszyć tempo badań i otworzyły nowe możliwości eksploracji fotobiologicznych systemów produkcji wodoru. „Potrafimy to zrobić w znacznie szybszym tempie w porównaniu z klasycznymi metodami biologicznymi”, stwierdza Berggren. Te możliwość badawcze pozwoliły na lepsze poznanie metabolizmu wodoru, a także przyczyniły się do odkrycia nowych hydrogenaz w różnych organizmach.
Pionierskie zastosowania i przyszłe kierunki badań
Wyniki tych prac torują drogę fotobiologicznej produkcji wodoru, czyli wykorzystania bakterii fotosyntetycznych do optymalizacji wytwarzania wodoru ze światła słonecznego. „To potężne narzędzie pozwala nam na optymalizację wydajności produkcji wodoru z komórek zawierających hydrogenazy, przy czym skupiamy się na optymalizacji samego katalizatora enzymatycznego, a także jego integracji z przepływem elektronów w komórce”, mówi Berggren.
Implikacje tych badań wykraczają poza paliwa odnawialne. Przełomowe odkrycia zespołu w technologii hydrogenaz mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w naukach medycznych.
Metodologie opracowane w projekcie CaBiS stosuje się obecnie do badania metabolizmu wodoru w ludzkich jelitach. Berggren opisuje potencjalne znaczenie tych prac w następujący sposób: „Lepsze poznanie metabolizmu gazów w tym kontekście powinno mieć znaczący wpływ na nauki przyrodnicze i potencjalnie umożliwi projektowanie nowych leków i terapii medycznych”.
Berggren przyznaje jednocześnie, że przełożenie tych obiecujących przełomowych odkryć na praktyczne zastosowania będzie wymagało dalszych badań i optymalizacji. „Aby móc stosować te technologie w praktyce, musimy również zoptymalizować budowę bioreaktora pod kątem bezpieczeństwa i wydajnego wychwytywania światła, a także efektywnego pozyskiwania i przetwarzania wytwarzanego wodoru”, dodaje.
Nie ulega wątpliwości, że projekt CaBiS, finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, oznacza ważny krok naprzód w pracach nad zrównoważoną produkcją wodoru. Dzięki połączeniu najnowszych zdobyczy chemii syntetycznej z naturalnie występującymi systemami biologicznymi Berggren i jego zespół stworzyli potężną platformę dla przyszłych innowacji, którą nieustannie udoskonalają.