מדענים מאוסטרליה גילו אנזים שהופך אוויר לחשמל, באמצעות שימוש שהוא עושה בכמויות הנמוכות של המימן באטמוספרה, על מנת לספק בסופו של דבר מקור של אנרגיה ירוקה. התגלית סוללת את הדרך, או לפחות עושה את הצעד הראשון, בדרך ליצירת מכשירים שמייצרים אנרגיה מאוויר דליל.
ריאיון עם פרופ' דוד מנדלוביץ מאוניברסיטת תל אביב על התגלית
את המחקר הובילו ד"ר ריס גרינטר, אשלי קרופ ופרופ' כריס גרינינג מאוניברסיטת מונאש במלבורן, שיחד עם עמיתיהם יצרו וניתחו אנזים שצורך מימן מחיידק קרקע נפוץ. מחקרם של חברי הצוות האוסטרלי הראה שחיידקים רבים משתמשים במימן מהאטמוספרה כמקור אנרגיה בסביבות דלות בחומרים מזינים. "אנחנו יודעים מזה זמן מה שחיידקים יכולים להשתמש בעקבות המימן באוויר כמקור אנרגיה כדי לשגשג ולשרוד, כולל בקרקעות של אנטארקטיקה, במכתשים געשיים ובעומק האוקיינוס", אמר פרופ' גרינינג. "יחד עם זאת, לא ידענו איך הם עשו את זה, עד עכשיו".
במחקר, שממצאיו פורסמו השבוע בכתב העת Nature, חילצו החוקרים את האנזים האחראי לשימוש במימן אטמוספרי מחיידק בשם מיקרובקטריום סמגמטיס (Mycobacterium smegmatis), והראו שהאנזים הזה, ששמו הוק (Huc), הופך גז מימן לזרם חשמלי. "אנזים הוק יעיל בצורה יוצאת דופן. בניגוד לכל שאר האנזימים והזרזים הכימיים הידועים, הוא אפילו צורך מימן מתחת לרמות האטמוספרה - רק 0.00005% מהאוויר שאנו נושמים", אמר ד"ר גרינטר.
החוקרים השתמשו במספר שיטות חדשניות כדי לחשוף את השרטוט המולקולרי של חמצון מימן אטמוספרי. הם השתמשו במיקרוסקופ אלקטרונים קריוגני (cryo-EM) - מיקרוסקופ אלקטרונים המאפשר שיקוף ומדידת גדלים אופייניים של מולקולות מורכבות, כמו חלבונים ופחמימות בתוך תמיסה, בשיטה שאיפשרה לראשונה שיקוף של חומרים ביולוגיים רגישים לקרינה בסביבה הטבעית שלהם - כדי לקבוע את המבנה האטומי ואת המסלולים החשמליים שלו, במטרה לייצר את מבנה האנזים המומס ביותר שדווח בשיטה זו עד כה.
בנוסף, השתמשו החוקרים בטכניקה שנקראת אלקטרוכימיה - ענף בכימיה שעוסק בתגובות, שבהן עובר אלקטרון דרך השטח שבין האלקטרודה והמוליך היוני - כדי להדגים כיצד האנזים המזוכך יוצר חשמל בריכוזי מימן מזעריים. הצוות גילה כי לאנזים הוק יש מבנה המכיל יונים טעונים של ניקל וברזל, וברגע שמולקולות המימן (המורכבות משני פרוטונים ושני אלקטרונים) נפגשות עם האנזים, הן נלכדות בין יוני הניקל והברזל ונשלפות מהאלקטרונים שלהן. לאחר מכן, האנזים שולח את האלקטרונים הללו בשטף של זרימה, מה שיוצר את הזרם החשמלי.
3 צפייה בגלריה
האנזים הוק (Huc) שאחראי לשימוש במימן מהאטמוספירה מהחיידק ששמו מיקרובקטריום סמגמטיס (Mycobacterium smegmatis)
(צילום: Monash Biomedicine Discovery Institute, Monash University)
קרופ, דוקטורנטית באוניברסיטת מונאש, הראתה שאפשר לאחסן את האנזים המזוכך הוק למשך תקופות ארוכות. "הוא יציב להפליא, מכיוון שאפשר להקפיא אותו או לחמם אותו בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס, מה שלא יפריע לו לשמור על כוחו לשם ייצור אנרגיה", אמרה קרופ. "זה מצביע על כך שהאנזים הזה עוזר לחיידקים לשרוד בסביבות הקיצוניות ביותר, בסביבה מימית, קפואה או געשית".
לדברי החוקרים, האנזים הוק מהווה מעיין "סוללה טבעית" המפיקה זרם חשמלי מתמשך מהאוויר או בעקבות הוספת מימן. אמנם מחקר זה נמצא בשלב מוקדם יחסית, אבל לגילוי של אנזים הוק יש פוטנציאל ניכר לפיתוח מכשירים קטנים המונעים באוויר, כחלופה למכשירים המונעים על ידי אנרגיית השמש למשל. החיידקים המייצרים אנזימים כמו הוק נחשבים לנפוצים ולכן ניתן לגדל אותם בכמויות גדולות, כלומר שישנה גישה למקור בר קיימא של האנזים. ד"ר גרינטר אמר שמטרת המפתח למחקר עתידי צריכה להיות הגדלה משמעותית של ייצור אנזים הוק. "ברגע שאנו מייצרים את אנזים הוק בכמות מספקת, השמיים הם הגבול לשימוש בו להפקת אנרגיה נקייה", כך לדבריו של ד"ר גרינטר.
3 צפייה בגלריה
ד"ר ריס גרינטר (מימין) ואשלי קרופ מאוניברסיטת מונאש במלבורן
(צילום: Monash Biomedicine Discovery Institute, Monash University)
אז האם מדובר בתגלית שתשנה את העולם? פרופ' דוד מנדלוביץ מבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב, התייחס בריאיון ל-ynet radio למחקר שנערך באוסטרליה, ושהוא לא היה מעורב בו. "התהליך מבחינה מדעית הוא מדהים", הוא אמר. "יש פה אנזים שמצליח למיין המון המון מולקולת ולהוציא את המולקולות מימן, אלה שלא מחוברות לחמצן, שנמצאות במימן. מולקלות שאפשר להפיק מהן אנרגיה. אבל כמות האנרגיה שאנחנו מוציאים בשיחה הזו, כדי שנוכל לדבר, ולנשום ולחיות ולהפעיל את הלב - היא כל כך גדולה - שכמות המימן שיש באוויר לא תספק אותנו. ולכן ההישג מבחינה מסחרית הוא פחות מעניין, מבחינה מדעית יש לו הרבה ערך".
על התגלית עצמה, פירט פרופ' מנדלוביץ: "מדובר בבקטריה, שכנראה חיה באזור שיש בו מצוקות גדולות של חוסר מזון, בתקופות מאוד ארוכות. האנזים הזה מיוצר על הבקטריה, והבקטריה בתהליך מסוים פיתחה איזושהי יכולת הישרדות בתקופות ארוכות שאין מזון, והיא לא יכול לקיים את עצמה. באוויר יש 1 ל-10 מיליון מולקולת שהן מימן, מימן כידוע זו מולקולה שאפשר להפיק ממנה אנרגיה חשמלית או אחרת, ובאמצעות מעט המימן שהבקטריה הזו מפיקה ואנזים ספציפי שהתגלה באוניברסיטה באוסטרליה, היא מצליחה לשרוד את התקופות הקשות - שאין לבקטריה הזו מזון". החוקר והיזם הישראלי סיכם: "זו פצצה מבחינה אקדמית, אבל אי אפשר להפיק מזה שום דבר".
