อาจฟังดูน่าประหลาดใจ แต่เมื่อถึงเวลายากลำบากและไม่มีอาหารอื่น แบคทีเรียในดินบางชนิดสามารถใช้ไฮโดรเจนในอากาศเป็นแหล่งพลังงานได้ ในความเป็นจริง แบคทีเรียกำจัดไฮโดรเจนจำนวนมหาศาลถึง 70 ล้านตันต่อปีออกจากชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นกระบวนการที่กำหนดองค์ประกอบของอากาศที่เราหายใจอย่างแท้จริง เราได้แยกเอนไซม์ที่ช่วยให้แบคทีเรียบางชนิดกินไฮโดรเจนและดึงพลังงานจากมัน และพบว่ามันสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้โดยตรงเมื่อสัมผัสกับไฮโดรเจนในปริมาณเล็กน้อย
ที่เรารายงานในเอกสารใหม่ใน Nature ในการให้พลังงานแก่อุปกรณ์
ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานจากอากาศอย่างยั่งยืนในอนาคต จากการค้นพบนี้ เราได้วิเคราะห์รหัสพันธุกรรมของแบคทีเรียในดินที่ชื่อว่า Mycobacterium smegmatis ซึ่งใช้ไฮโดรเจนจากอากาศ สิ่งที่เขียนลงในยีนเหล่านี้คือพิมพ์เขียวสำหรับการผลิตเครื่องจักรระดับโมเลกุลที่รับผิดชอบในการบริโภคไฮโดรเจนและเปลี่ยนให้เป็นพลังงานสำหรับแบคทีเรีย เครื่องนี้เป็นเอนไซม์ที่เรียกว่า “ไฮโดรจีเนส” และเราตั้งชื่อมันสั้นๆ ว่า Huc
ไฮโดรเจนเป็นโมเลกุลที่ง่ายที่สุด เกิดจากโปรตอนที่มีประจุบวก 2 ตัวจับกันด้วยพันธะที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ 2 ตัว Huc สลายพันธะนี้ โปรตอนแยกทาง และปล่อยอิเล็กตรอนออกมา
ในแบคทีเรีย อิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้จะไหลเข้าสู่วงจรที่ซับซ้อนที่เรียกว่า “ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน” และถูกควบคุมเพื่อให้เซลล์มีพลังงาน อิเล็กตรอนที่ไหลเป็นส่วนประกอบของกระแสไฟฟ้า หมายความว่า Huc จะแปลงไฮโดรเจนเป็นกระแสไฟฟ้าโดยตรง
ไฮโดรเจนเป็นเพียง 0.00005% ของชั้นบรรยากาศ การบริโภคก๊าซนี้ที่ความเข้มข้นต่ำเหล่านี้ถือเป็นความท้าทายที่น่ากลัว ซึ่งไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาใดที่รู้จักสามารถทำได้ นอกจากนี้ ออกซิเจนซึ่งมีอยู่มากในชั้นบรรยากาศเป็นพิษต่อการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่
ขั้นตอนในการทำเช่นนี้ซับซ้อน ก่อนอื่นเราแก้ไขยีนในM. smegmatisที่ทำให้แบคทีเรียสร้างเอนไซม์นี้ได้ ในการทำเช่นนี้ เราได้เพิ่มลำดับทางเคมีเฉพาะให้กับ Huc ซึ่งทำให้เราสามารถแยกมันออกจากเซลล์M. smegmatis การมองเห็น Huc ให้ดีนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย ต้องใช้เวลาหลายปีและการทดลองไม่กี่ครั้งกว่าจะแยกตัวอย่างคุณภาพสูงของเอนไซม์อันชาญฉลาดได้ในที่สุด
อย่างไรก็ตาม การทำงานหนักก็คุ้มค่า เพราะในที่สุด Huc
ที่เราผลิตออกมานั้นมีความเสถียรมาก ทนทานต่ออุณหภูมิตั้งแต่ 80℃ ถึง –80℃ โดยไม่สูญเสียกิจกรรม
พิมพ์เขียวระดับโมเลกุลสำหรับการสกัดไฮโดรเจนจากอากาศ
ด้วย Huc ที่แยกได้ เราจึงเริ่มศึกษาอย่างจริงจังเพื่อค้นหาว่าเอนไซม์มีความสามารถอะไรกันแน่ จะเปลี่ยนไฮโดรเจนในอากาศให้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ยั่งยืนได้อย่างไร?
เราพบว่าแม้จะแยกออกจากแบคทีเรียแล้ว Huc ก็สามารถบริโภคไฮโดรเจนที่ความเข้มข้นต่ำกว่ามาก แม้กระทั่งร่องรอยเล็กๆ ในอากาศ ในความเป็นจริง Huc ยังคงบริโภคไฮโดรเจนที่จางเกินไปที่แก๊สโครมาโตกราฟของเราจะตรวจจับได้ ซึ่งเป็นเครื่องมือที่มีความไวสูงที่เราใช้ในการวัดความเข้มข้นของแก๊ส
นอกจากนี้ เรายังพบว่า Huc ไม่ถูกยับยั้งโดยออกซิเจนโดยสิ้นเชิง ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ไม่พบในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ไฮโดรเจนอื่นๆ
เพื่อประเมินความสามารถในการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นไฟฟ้า เราใช้เทคนิคที่เรียกว่าเคมีไฟฟ้า สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่า Huc สามารถเปลี่ยนความเข้มข้นเล็กน้อยของไฮโดรเจนในอากาศให้เป็นไฟฟ้าได้โดยตรง ซึ่งสามารถจ่ายไฟให้กับวงจรไฟฟ้าได้ นี่เป็นความสำเร็จที่น่าทึ่งและไม่เคยมีมาก่อนสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ไฮโดรเจน
เราใช้วิธีการที่ทันสมัยหลายอย่างเพื่อศึกษาว่า Huc ทำสิ่งนี้ในระดับโมเลกุลได้อย่างไร สิ่งเหล่านี้รวมถึงกล้องจุลทรรศน์ขั้นสูง (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบแช่เย็น) และสเปกโทรสโกปีเพื่อกำหนดโครงสร้างอะตอมและทางเดินไฟฟ้า ผลักดันขอบเขตเพื่อสร้างโครงสร้างเอนไซม์ที่มีความละเอียดสูงที่สุดเท่าที่เคยมีการรายงานด้วยวิธีนี้
เอนไซม์สามารถใช้อากาศเพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์แห่งอนาคต
การวิจัยนี้เพิ่งเริ่มต้น และความท้าทายทางเทคนิคหลายอย่างจำเป็นต้องเอาชนะเพื่อให้ได้ศักยภาพของ Huc
ประการหนึ่ง เราจะต้องเพิ่มขนาดการผลิต Huc อย่างมาก ในห้องแล็บ เราผลิต Huc ในปริมาณมิลลิกรัม แต่เราต้องการปรับขนาดเป็นกรัมและกิโลกรัมในที่สุด
อย่างไรก็ตาม ผลงานของเราแสดงให้เห็นว่า Huc ทำงานเหมือน “แบตเตอรี่ธรรมชาติ” ที่ผลิตกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องจากอากาศหรือไฮโดรเจนที่เติมเข้าไป
ด้วยเหตุนี้ Huc จึงมีศักยภาพอย่างมากในการพัฒนาอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานจากอากาศอย่างยั่งยืนเพื่อเป็นทางเลือกแทนพลังงานแสงอาทิตย์
ปริมาณพลังงานที่ไฮโดรเจนจัดหาให้ในอากาศอาจมีปริมาณน้อย แต่น่าจะเพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้กับจอภาพไบโอเมตริก นาฬิกา ลูกโลก LED หรือคอมพิวเตอร์ทั่วไป ด้วยไฮโดรเจนที่มากขึ้น Huc จะผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้นและอาจให้พลังงานแก่อุปกรณ์ขนาดใหญ่ขึ้น
