Forskere skaber nano-reaktorer til produktion af brint biobrændstof

Forskere ved Indiana University har skabt et yderst effektivt biomateriale, der katalyserer dannelsen af ​​brint - den ene halvdel af den "hellige gral" ved at spalte H2O for at lave brint og ilt til brændstof til billige og effektive biler, der kører på vand.

Et modificeret enzym, der får styrke fra at blive beskyttet i proteinskallen - eller "kapsid" - af en bakteriel virus, dette nye materiale er 150 gange mere effektivt end den uændrede form af enzymet.

Processen med at skabe materialet blev for nylig rapporteret i "Selvsamlende biomolekylære katalysatorer til brintproduktion" i tidsskriftet Naturkemi .

"I bund og grund, vi har taget en viruss evne til selv at samle utallige genetiske byggesten og inkorporeret et meget skrøbeligt og følsomt enzym med den bemærkelsesværdige egenskab at optage protoner og spytte brintgas ud. " sagde Trevor Douglas, Earl Bough-professor i kemi ved IU Bloomington College of Arts and Sciences' Department of Chemistry, der ledede undersøgelsen. "Slutresultatet er en viruslignende partikel, der opfører sig på samme måde som et meget sofistikeret materiale, der katalyserer produktionen af ​​brint."

Andre IU-forskere, der bidrog til forskningen, var Megan C. Thielges, en adjunkt i kemi; Ethan J. Edwards, en ph.d. studerende; og Paul C. Jordan, en postdoc forsker ved Alios BioPharma, der var IU Ph.D. studerende på studietidspunktet.

Det genetiske materiale, der bruges til at skabe enzymet, hydrogenase, produceres af to gener fra den almindelige bakterie Escherichia coli, indsat i det beskyttende kapsid ved hjælp af metoder, der tidligere er udviklet af disse IU-forskere. generne, hyaA og hyaB, er to gener i E. coli, der koder for nøgleunderenheder af hydrogenaseenzymet. Capsiden kommer fra bakterieviruset kendt som bakteriofag P22.

Det resulterende biomateriale, kaldet "P22-Hyd, " er ikke kun mere effektiv end det uændrede enzym, men produceres også gennem en simpel fermenteringsproces ved stuetemperatur.

Materialet er potentielt langt billigere og mere miljøvenligt at fremstille end andre materialer, der i øjeblikket bruges til at skabe brændselsceller. Det dyre og sjældne metal platin, for eksempel, bruges almindeligvis til at katalysere brint som brændstof i produkter såsom high-end konceptbiler.

"Dette materiale kan sammenlignes med platin, bortset fra at det virkelig er fornybart, " sagde Douglas. "Du behøver ikke at mine det; du kan skabe det ved stuetemperatur i massiv skala ved hjælp af fermenteringsteknologi; det er biologisk nedbrydeligt. Det er en meget grøn proces at lave et meget high-end bæredygtigt materiale."

Ud over, P22-Hyd både bryder vandets kemiske bindinger for at skabe brint og arbejder også omvendt for at rekombinere brint og oxygen for at generere strøm. "Reaktionen kører begge veje - den kan bruges enten som en brintproduktionskatalysator eller som en brændselscellekatalysator, " sagde Douglas.

Formen af ​​hydrogenase er en af ​​tre forekommende i naturen:di-jern (FeFe)-, jern-kun (Fe-only)- og nikkel-jern (NiFe)-hydrogenase. Den tredje form blev valgt til det nye materiale på grund af dets evne til let at integrere i biomaterialer og tolerere eksponering for ilt.

NiFe-hydrogenase opnår også betydeligt større modstand ved indkapsling over for nedbrydning fra kemikalier i miljøet, og det bevarer evnen til at katalysere ved stuetemperatur. Uændret NiFe-hydrogenase, derimod er meget modtagelig for ødelæggelse fra kemikalier i miljøet og nedbrydes ved temperaturer over stuetemperatur - hvilket begge gør det ubeskyttede enzym til et dårligt valg til brug i fremstillings- og kommercielle produkter såsom biler.

Disse følsomheder er "nogle af nøgleårsagerne til, at enzymer ikke tidligere har levet op til deres løfte inden for teknologi, " sagde Douglas. En anden er deres vanskeligheder ved at producere.

"Ingen har nogensinde haft en måde at skabe en tilstrækkelig stor mængde af denne hydrogenase på trods af dets utrolige potentiale for biobrændstofproduktion. Men nu har vi fået en metode til at stabilisere og producere store mængder af materialet - og enorme stigninger i effektivitet, " han sagde.

Udviklingen er meget væsentlig ifølge Seung-Wuk Lee, professor i bioingeniør ved University of California-Berkeley, som ikke var en del af undersøgelsen.

"Douglas' gruppe har været førende i udviklingen af ​​protein- eller virusbaseret nanomateriale i de sidste to årtier. Dette er et nyt banebrydende arbejde med at producere grønne og rene brændstoffer for at tackle det virkelige energiproblem, som vi står over for i dag og få en øjeblikkelig effekt i vores liv i den nærmeste fremtid, " sagde Lee, hvis arbejde er blevet citeret i en amerikansk kongresrapport om brugen af ​​vira i fremstillingen.

Ud over det nye studie, Douglas og hans kolleger fortsætter med at lave P22-Hyd til en ideel ingrediens til brintkraft ved at undersøge måder at aktivere en katalytisk reaktion med sollys på, i modsætning til at indføre valg ved hjælp af laboratoriemetoder.

"At inkorporere dette materiale i et solcelledrevet system er det næste skridt, " sagde Douglas.