Wetenschappers van de Indiana University hebben een zeer efficiënt biomateriaal gemaakt dat de vorming van waterstof katalyseert - de helft van de "heilige graal" van het splitsen van H2O om waterstof en zuurstof te maken voor het tanken van goedkope en efficiënte auto's die op water rijden.

Een gemodificeerd enzym dat sterker wordt doordat het wordt beschermd in het eiwitomhulsel - of 'capside' - van een bacterieel virus, dit nieuwe materiaal is 150 keer efficiënter dan de ongewijzigde vorm van het enzym.

Het proces van het maken van het materiaal is onlangs gerapporteerd in "Zelfassemblerende biomoleculaire katalysatoren voor waterstofproductie" in het tijdschrift Natuurchemie .

"Eigenlijk, we hebben het vermogen van een virus genomen om ontelbare genetische bouwstenen zelf te assembleren en een zeer kwetsbaar en gevoelig enzym in te bouwen met de opmerkelijke eigenschap om protonen op te nemen en waterstofgas uit te spugen, " zei Trevor Douglas, de Earl Blough Professor of Chemistry in de IU Bloomington College of Arts and Sciences' Department of Chemistry, die de studie leidde. "Het eindresultaat is een virusachtig deeltje dat zich hetzelfde gedraagt ​​als een zeer geavanceerd materiaal dat de productie van waterstof katalyseert."

Andere IU-wetenschappers die hebben bijgedragen aan het onderzoek waren Megan C. Thielges, een assistent-professor scheikunde; Ethan J. Edwards, een doctoraat student; en Paul C. Jordan, een postdoctoraal onderzoeker bij Alios BioPharma, die een IU Ph.D. student op het moment van de studie.

Het genetische materiaal dat wordt gebruikt om het enzym te maken, hydrogenase, wordt geproduceerd door twee genen van de gewone bacterie Escherichia coli, ingebracht in de beschermende capside met behulp van methoden die eerder door deze IU-wetenschappers zijn ontwikkeld. de genen, hyaA en hyaB, zijn twee genen in E. coli die coderen voor de belangrijkste subeenheden van het hydrogenase-enzym. De capside is afkomstig van het bacteriële virus dat bekend staat als bacteriofaag P22.

Het resulterende biomateriaal, genaamd "P22-Hyd, " is niet alleen efficiënter dan het ongewijzigde enzym, maar wordt ook geproduceerd door een eenvoudig fermentatieproces bij kamertemperatuur.

Het materiaal is potentieel veel goedkoper en milieuvriendelijker om te produceren dan andere materialen die momenteel worden gebruikt om brandstofcellen te maken. Het kostbare en zeldzame metaal platina, bijvoorbeeld, wordt vaak gebruikt om waterstof te katalyseren als brandstof in producten zoals high-end conceptauto's.

"Dit materiaal is vergelijkbaar met platina, behalve dat het echt hernieuwbaar is, ' zei Douglas. 'Je hoeft het niet te minen; je kunt het op kamertemperatuur op grote schaal maken met behulp van fermentatietechnologie; het is biologisch afbreekbaar. Het is een heel groen proces om een ​​zeer hoogwaardig duurzaam materiaal te maken."

In aanvulling, P22-Hyd verbreekt beide de chemische bindingen van water om waterstof te creëren en werkt ook omgekeerd om waterstof en zuurstof te recombineren om energie op te wekken. "De reactie verloopt in beide richtingen:het kan worden gebruikt als katalysator voor de productie van waterstof of als katalysator voor brandstofcellen, ' zei Douglas.

De vorm van hydrogenase is een van de drie die in de natuur voorkomen:di-ijzer (FeFe)-, ijzer-alleen (Fe-only)- en nikkel-ijzer (NiFe)-hydrogenase. De derde vorm werd gekozen voor het nieuwe materiaal vanwege het vermogen om gemakkelijk te integreren in biomaterialen en blootstelling aan zuurstof te verdragen.

NiFe-hydrogenase krijgt ook een aanzienlijk grotere weerstand bij inkapseling tegen afbraak door chemicaliën in het milieu, en het behoudt het vermogen om te katalyseren bij kamertemperatuur. ongewijzigd NiFe-hydrogenase, daarentegen, is zeer vatbaar voor vernietiging door chemicaliën in het milieu en breekt af bij temperaturen boven kamertemperatuur - die beide het onbeschermde enzym een ​​slechte keuze maken voor gebruik in productie- en commerciële producten zoals auto's.

Deze gevoeligheden zijn "enkele van de belangrijkste redenen waarom enzymen hun belofte in technologie niet eerder hebben waargemaakt, " zei Douglas. Een andere is hun moeilijkheid om te produceren.

"Niemand heeft ooit een manier gehad om een ​​voldoende grote hoeveelheid van deze hydrogenase te creëren, ondanks het ongelooflijke potentieel voor de productie van biobrandstoffen. Maar nu hebben we een methode om grote hoeveelheden van het materiaal te stabiliseren en te produceren - en een enorme toename in efficiëntie, " hij zei.

De ontwikkeling is zeer belangrijk volgens Seung-Wuk Lee, hoogleraar bio-engineering aan de Universiteit van Californië-Berkeley, die geen deel uitmaakte van het onderzoek.

"Douglas' groep heeft de afgelopen twee decennia de leiding gehad over de ontwikkeling van nanomaterialen op basis van eiwitten of virussen. Dit is een nieuw pionierswerk om groene en schone brandstoffen te produceren om het echte energieprobleem waarmee we vandaag worden geconfronteerd aan te pakken en een onmiddellijke impact te hebben in ons leven in de nabije toekomst, " zei Leen, wiens werk is geciteerd in een rapport van het Amerikaanse Congres over het gebruik van virussen bij de productie.

Naast de nieuwe studie, Douglas en zijn collega's gaan door met het maken van P22-Hyd tot een ideaal ingrediënt voor waterstof door manieren te onderzoeken om een ​​katalytische reactie met zonlicht te activeren. in tegenstelling tot het invoeren van verkiezingen met behulp van laboratoriummethoden.

"Het opnemen van dit materiaal in een systeem op zonne-energie is de volgende stap, ' zei Douglas.