Het veranderen van de manier waarop het land energie opwekt en verbruikt, vormt de kern van een nieuwe NSF-subsidie ​​die is toegekend aan de Arizona State University en Kevin Redding, hoogleraar aan de School of Molecular Sciences en directeur van het Centrum voor Bio-energie en Fotosynthese (CB&P).

Het doel van Redding en zijn onderzoeksgroep is het verkrijgen van algenwaterstofproductie op industriële schaal, een doel dat een verbetering ten opzichte van de huidige technologie vereist met ten minste het vijfvoudige.

"Ik zie waterstof niet zozeer als brandstof, maar als een essentiële grondstof die we consumeren met een snelheid van meer dan 20 miljoen ton per jaar - en die we nu maken door stoomreformatie van fossiele brandstoffen, een proces dat energie-intensief is en kooldioxide produceert, " legde Redding uit. "Als we zelfs maar een deel daarvan zouden kunnen vervangen door algenbiowaterstof die wordt gemaakt via licht en water, het zou een aanzienlijke impact hebben. Echter, de toestand van het biowaterstofveld is niet eens in de buurt van waar het moet zijn om commercieel levensvatbaar te zijn."

"We dachten dat er een aantal radicaal verschillende benaderingen moesten worden gevolgd, ons gekke idee om het hydrogenase-enzym rechtstreeks aan te sluiten op Fotosysteem I om een ​​groot deel van de elektronen af ​​te leiden van de watersplitsing (door Fotosysteem II) om moleculaire waterstof te maken."

Het is algemeen bekend dat planten en algen, evenals cyanobacteriën, fotosynthese gebruiken om zuurstof en "brandstoffen, De laatste zijn oxideerbare stoffen zoals koolhydraten en waterstof. Er zijn twee pigment-eiwitcomplexen die de primaire reacties van licht in zuurstofrijke fotosynthese orkestreren:Photosystem I (PSI) en Photosystem II (PSII).

Algen (in dit geval de eencellige groene alg Chlamydomonas reinhardtii, of kortweg 'Chlamy') beschikken over een enzym genaamd hydrogenase dat elektronen gebruikt die het van het eiwit ferredoxine krijgt, die wordt gebruikt om elektronen van PSI naar verschillende bestemmingen te vervoeren. De algenhydrogenase wordt snel en onomkeerbaar geïnactiveerd door zuurstof die constant wordt geproduceerd door PSII. Het is te hopen dat het direct koppelen van de hydrogenase aan PSI de problemen zal verminderen, inclusief het feit dat hydrogenase slecht concurreert voor elektronen en dat het wordt geïnactiveerd door zuurstof.

"Met behulp van het geknikte PSI-hydrogenase-concept, Andrey Kanygin is erin geslaagd een gemanipuleerde alg te produceren die de best aanhoudende waterstofproductie van alle algen ooit geeft. Werken met Alec Smith, een Barrett Fellow van de CB&P, ze hebben een nieuwe stam geproduceerd met de hoogste initiële snelheid ooit gemeten, maar later zakt het. Met deze subsidie we kunnen hopelijk een organisme produceren met het beste van beide:hoge tarieven die lange tijd aanhouden."

In een toekomstig commercieel systeem, men zal in het begin de cellen normaal willen kunnen laten groeien, en schakel ze vervolgens over naar een modus waarin de meeste elektronen worden omgeleid om waterstof te maken - in wezen overgaan van een goedkoop replicatiesysteem naar een 'biofabriek' waarin zonlicht de productie van waterstof stimuleert met behulp van water. De voorgestelde systemen bieden een voor de hand liggende manier om dat te doen door de genen aan te zetten die coderen voor de gekoppelde PSI-hydrogenase-eiwitten. Bijgevolg, elektronen worden omgeleid van koolstofdioxidefixatie naar waterstofproductie.

Samenwerken met Israël

De NSF-subsidie ​​is onderdeel van de U.S.-Israel Binational Science Foundation (BSF). Bij deze regeling een Amerikaanse wetenschapper en een Israëlische wetenschapper bundelen hun krachten om een ​​gezamenlijk project te vormen. De Amerikaanse partner dient een subsidie ​​voor het gezamenlijke project in bij de NSF, en de Israëlische partner dient dezelfde subsidie ​​in bij de ISF (Israel Science Foundation). Beide agentschappen moeten akkoord gaan met de financiering van het project om de BSF-financiering te verkrijgen. Prof. Iftach Yacoby van de Universiteit van Tel Aviv. Redding's partner in het BSF-project, is een jonge wetenschapper die ongeveer 5 jaar geleden voor het eerst begon bij TAU en zich heeft gericht op verschillende manieren om de productie van biowaterstof uit algen te verhogen.

"Iftach pakt dit probleem heel anders aan, wat ik niemand anders daarbuiten zie doen. Sommige van zijn werk is een beetje controversieel, maar ik denk dat zijn basisconclusies correct zijn. We praten al een paar jaar af en toe met elkaar, maar onlangs kwamen we tot het besef dat onze benaderingen en vaardigheden zeer complementair zijn. Het is een natuurlijke samenwerking. We werken al aan onze eerste twee gezamenlijke manuscripten!"

Talent van lokale scholen benutten

Redding werkt ook samen met ASU's Global Institute of Sustainability om een ​​module te ontwikkelen binnen hun Wells Fargo Regional Sustainability Teachers Academy. Ze werken samen met Molly Cashion en Robert McGehee, de programmacoördinatoren van de Academie.

Het team gaat een module ontwikkelen over het screenen van algen met een agar-overlay-methode. In de Academie gaan ze lokale leraren uit het middelbaar en middelbaar onderwijs opleiden. Ze hebben alleen een magnetron en een waterbad nodig om de test uit te voeren, en hun leerlingen bouwen hun stralers uit een kartonnen doos met led-strips en AA-batterijen. Vrijwilligers van niet-gegradueerde studenten zullen andere materialen naar de klaslokalen brengen en de leraren helpen als dat nodig is. Algen worden gekweekt op platen, bedekt met agar gemengd met Rhodobacter, en 's nachts laten ontwikkelen.

De studenten kunnen ze de volgende dag met hun eigen telefooncamera's in beeld brengen met behulp van een klein groen interferentiefilter dat door de beurs wordt verstrekt. Ze kunnen dan hun eigen conclusies trekken over de beste waterstofproducerende stammen. Dit plan is gebaseerd op concepten uit de volgende generatie wetenschappelijke onderwijsconcepten, waarin het leren wordt gedreven door de eigen nieuwsgierigheid van de leerlingen. Ze krijgen in eerste instantie slechts een vluchtige uitleg, maar naarmate het experiment vordert, de wetenschappers beantwoorden hun vragen over hoe dingen werken. De studenten zullen worden aangemoedigd om te experimenteren met verschillende omstandigheden om de beste algenstammen te ontdekken en hoe ze kunnen worden overgehaald om meer waterstof te maken. Op deze manier, ze worden partners in ontdekking.