Nghe có vẻ ngạc nhiên, nhưng khi thời điểm khó khăn và không có sẵn thức ăn nào khác, một số vi khuẩn đất có thể tiêu thụ một lượng nhỏ hydro trong không khí làm nguồn năng lượng.

Trên thực tế, vi khuẩn loại bỏ 70 triệu tấn hydro đáng kinh ngạc hàng năm khỏi khí quyển, một quá trình định hình thành phần không khí mà chúng ta hít thở theo đúng nghĩa đen.

Nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Monash, Úc, đã phân lập được một loại enzyme cho phép một số vi khuẩn tiêu thụ hydro và trích xuất năng lượng từ nó, đồng thời phát hiện ra rằng nó có thể tạo ra dòng điện trực tiếp khi tiếp xúc với lượng hydro thậm chí rất nhỏ.

Như nhóm nghiên cứu đã báo cáo trong một bài báo mới trên tạp chí Nature, enzyme này có thể có tiềm năng đáng kể để cung cấp năng lượng cho các thiết bị chạy bằng không khí nhỏ, bền vững trong tương lai.

Gen vi khuẩn chứa bí quyết biến không khí thành điện năng

Được thúc đẩy bởi phát hiện này, nhóm nghiên cứu đã phân tích mã di truyền của một loại vi khuẩn đất có tên là Mycobacterium smegmatis, loại vi khuẩn này tiêu thụ hydro từ không khí.

Được ghi vào những gen này là bản thiết kế để tạo ra cỗ máy phân tử chịu trách nhiệm tiêu thụ hydro và chuyển hóa nó thành năng lượng cho vi khuẩn. Cỗ máy này là một loại enzyme có tên là “hydrogenase”, và nhóm gọi tắt là Huc.

Hydro là phân tử đơn giản nhất, được tạo thành từ hai proton tích điện dương liên kết với nhau bằng liên kết được hình thành bởi hai điện tích âm. Huc phá vỡ liên kết này, các proton tách ra và các electron được giải phóng.

Ở vi khuẩn, các điện tử tự do này sau đó chảy vào một mạch phức tạp được gọi là “chuỗi vận chuyển điện tử” và được khai thác để cung cấp năng lượng cho tế bào.

Dòng điện tử tạo ra điện, nghĩa là Huc trực tiếp chuyển đổi hydro thành dòng điện.

Hydro chỉ chiếm 0,00005% khí quyển. Tiêu thụ loại khí này ở những nồng độ thấp này là một thách thức ghê gớm mà không chất xúc tác nào đã biết có thể đạt được. Hơn nữa, oxy, có nhiều trong khí quyển, “đầu độc” hoạt động của hầu hết các chất xúc tác tiêu thụ hydro.

Cô lập enzyme cho phép vi khuẩn sống trong không khí

Nhóm nghiên cứu muốn biết làm thế nào Huc vượt qua những thách thức này, vì vậy nhóm nghiên cứu bắt đầu phân lập nó khỏi tế bào M. smegmatis.

Quá trình để làm điều này là phức tạp. Trước tiên, nhóm đã sửa đổi các gen ở M. smegmatis cho phép vi khuẩn tạo ra loại enzyme này. Khi làm điều này, nhóm đã thêm một trình tự hóa học cụ thể vào Huc, cho phép họ phân lập nó khỏi các tế bào M. smegmatis.

Có được một cái nhìn tốt về Huc không phải là điều dễ dàng. Phải mất vài năm và khá nhiều thử nghiệm bế tắc trước khi nhóm nghiên cứu cuối cùng đã phân lập được một mẫu chất lượng cao của loại enzyme tinh xảo này.

Tuy nhiên, công sức bỏ ra rất xứng đáng, vì thành phẩm Huc mà nhóm nghiên cứu sản xuất cuối cùng rất ổn định. Nó chịu được nhiệt độ từ 80℃ xuống –80℃ mà không bị mất khả năng hoạt động.

Bản thiết kế phân tử để chiết xuất hydro từ không khí

Khi đã phân lập được Huc, nhóm bắt đầu nghiên cứu nó một cách nghiêm túc, để khám phá chính xác khả năng của enzym này. Làm thế nào nó có thể biến hydro trong không khí thành nguồn điện bền vững?

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng ngay cả khi được phân lập từ vi khuẩn, Huc có thể tiêu thụ hydro ở nồng độ thấp hơn nhiều so với các dấu vết nhỏ trong không khí. Trên thực tế, Huc vẫn tiêu thụ những luồng hydro quá mờ để có thể phát hiện được bằng máy sắc ký khí, một công cụ có độ nhạy cao mà nhóm sử dụng để đo nồng độ khí.

Nhóm cũng nhận thấy Huc hoàn toàn không bị ức chế bởi oxy, một đặc tính không thấy ở các chất xúc tác tiêu thụ hydro khác.

Để đánh giá khả năng chuyển đổi hydro thành điện năng của nó, nhóm đã sử dụng một kỹ thuật gọi là điện hóa học. Điều này cho thấy Huc có thể chuyển đổi trực tiếp nồng độ hydro trong không khí thành điện năng, có thể cung cấp năng lượng cho mạch điện. Đây là một thành tựu đáng chú ý và chưa từng có đối với một chất xúc tác tiêu thụ hydro.

Nhóm đã sử dụng một số phương pháp tiên tiến để nghiên cứu cách Huc thực hiện điều này ở cấp độ phân tử. Chúng bao gồm kính hiển vi tiên tiến (kính hiển vi điện tử đông lạnh) và quang phổ để xác định cấu trúc nguyên tử và đường dẫn điện của nó, thúc đẩy các ranh giới để tạo ra cấu trúc enzyme có độ phân giải cao nhất mà phương pháp này đã báo cáo.

Enzyme có thể sử dụng không khí để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong tương lai

Đây là những bước đầu tiên của nghiên cứu này và một số thách thức kỹ thuật cần phải vượt qua để nhận ra tiềm năng của Huc.

Có điều, chúng ta sẽ cần tăng đáng kể quy mô sản xuất Húc. Trong phòng thí nghiệm, nhóm sản xuất Huc với số lượng miligam, nhưng nhóm muốn tăng quy mô này lên gam và cuối cùng là kilôgam.

Tuy nhiên, nghiên cứu của nhóm chứng minh rằng Huc hoạt động giống như một “pin tự nhiên” tạo ra dòng điện bền vững từ không khí hoặc hydro bổ sung.

Do đó, Huc có tiềm năng đáng kể trong việc phát triển các thiết bị chạy bằng không khí nhỏ, bền vững như một giải pháp thay thế cho năng lượng mặt trời.

Lượng năng lượng do hydro cung cấp trong không khí sẽ nhỏ, nhưng có khả năng đủ để cung cấp năng lượng cho màn hình sinh trắc học, đồng hồ, quả địa cầu LED hoặc máy tính đơn giản. Với nhiều hydro hơn, Huc sản xuất nhiều điện hơn và có khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị lớn hơn.

Một ứng dụng khác là phát triển các cảm biến điện sinh học dựa trên Huc để phát hiện hydro, vốn có thể cực kỳ nhạy cảm. Huc có thể là vô giá để phát hiện rò rỉ trong cơ sở hạ tầng của nền kinh tế hydro đang phát triển của chúng ta hoặc trong môi trường y tế.

Nói tóm lại, nghiên cứu này cho thấy một khám phá cơ bản về cách vi khuẩn trong đất tự kiếm ăn có thể dẫn đến việc hình dung lại thành phần hóa học của sự sống. Cuối cùng, nó cũng có thể dẫn đến sự phát triển của các công nghệ cho tương lai.

Nguồn: The Conversation.