Bulgular Sürdürülebilir Enerji Üretimi İçin Yeni Olasılıklara İşaret Ediyor

Hidrojen, atmosferimizde yalnızca eser miktarda, %0,00005 konsantrasyonda bulunur. Her yıl 70 milyon ton yeni hidrojen üretilmesine rağmen (çoğunlukla fotokimyasal süreçler ve insan kaynaklı üretim yoluyla) konsantrasyon neredeyse sabit kalır. Bu sabitliğin nedeni uzun süre belirsizdi, ancak artık çoğunun topraktaki bakteriler gibi mikroorganizmalar tarafından emildiği ve enerji kaynağı olarak hidrojen kullandığı biliniyor. Hidrojenaz olarak bilinen özel enzimler, havadaki son derece nadir hidrojen moleküllerini yakalayıp enerjiye dönüştürür.

Bern Üniversitesi'nden araştırmacılar, Otago Üniversitesi, Queensland Teknoloji Üniversitesi, Monash Üniversitesi ve Melbourne Üniversitesi'nden meslektaşlarıyla birlikte, laboratuvarda havadaki hidrojenden organizmalar tarafından enerji üretiminin teorik sürecini ilk kez yeniden yaratmayı başardılar. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri (PNAS) adlı bilimsel dergide yeni yayımlanan sonuçlar, sürecin gerçekten gerçekleştiğine dair ilk kanıtı sunuyor ve diğer şeylerin yanı sıra, bazı organizmaların güneş veya diğer enerji kaynaklarından gelen enerji olmadan neden uzun süre hayatta kalabildiğini açıklıyor.

Hidrojen ve oksijen tepkimeye girerek su oluşturur ve enerji açığa çıkarır. Kimya derslerinde, bu enerji salınım süreci klasik olarak oksihidrojen reaksiyonu kullanılarak gösterilir. İki kısım hidrojen ve bir kısım oksijen bir balonda karıştırılıp ateşlenir. Reaksiyon yüksek bir patlama sesi çıkarır ve reaksiyon ürünü sudur. Bu yüksek patlama sesi, bu iki gazın birleşiminin enerji açısından oldukça zengin olduğunu, ancak başlangıçta ısı şeklinde bir enerji gerektirdiğini gösterir. Bern Üniversitesi Kimya, Biyokimya ve Eczacılık Bilimleri Bölümü'nde araştırma grubu lideri ve çalışmanın başlatıcısı ve son yazarı olan Christoph von Ballmoos şöyle açıklıyor: "Temelde aynı reaksiyon bakteri hücresinde de gerçekleşir. Ancak, tamamen enzimler tarafından katalize edilir ve başlangıçta bir ateşleme gerektirmez. Bakterilerdeki reaksiyon, açığa çıkan enerjiyi oksihidrojen deneyinde olduğu gibi ısı olarak kaybetmek yerine hücresel enerji (ATP) şeklinde depolamak için en az üç aşamaya ayrılır."

ATP (adenozin trifosfat), hücrenin en önemli enerji kaynağıdır ve besin alımı, DNA ve protein üretimi gibi birçok görevde kullanılır. ATP, kullanımdan sonra yenilenen küçük, şarj edilebilir bir pil gibi davranır.

Bu teorik sürecin organizmalarda gerçekten gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini test etmek için araştırmacılar, saflaştırılmış bileşenlerden minimal, sentetik bir solunum zinciri yeniden oluşturdular. Von Ballmoos şöyle diyor: "İnsanlarda hücresel solunum mitokondride gerçekleşir ve gıdadan gelen enerjiyi ATP'ye dönüştürür. Bu süreçte, elektronlar enerji açısından zengin moleküllerden kademeli olarak oksijene aktarılır. Bu şekilde açığa çıkan enerji, bir nanotürbin aracılığıyla ATP üreten bir proton döngüsünü çalıştırmak için kullanılır." Mevcut çalışmada, araştırmacılar yapay bir lipit zarına yerleştirilmiş sadece üç enzimden minimal, sentetik bir solunum zinciri ürettiler - bunlardan biri (hidrojenaz) Avustralya'dan, diğer ikisi (proton pompası ve nanotürbin) Bern'den geldi. Çalışmanın ikinci yazarı ve Bern Üniversitesi Kimya, Biyokimya ve Eczacılık Bilimleri Bölümü'nde doktora öğrencisi olan Stefan Moning, "Bu deneyin sonunda üstesinden gelebildiğimiz bir zorluğu, proteinleri zara, protonların doğru yönde pompalanacağı şekilde dahil etmekti," diyor.

Havadan Yaşam Mümkün

Deneyler, bazı organizmaların yaşamak için ihtiyaç duydukları enerjiyi yalnızca havadaki bileşenlerden üretebildikleri teorisini destekliyor. Von Ballmoos, "Hidrojen havada çok az miktarda bulunsa da, üç enzim reaksiyondan gelen enerjiyi koruyup ATP'ye dönüştürmeyi başarıyor. Oksijenin havada hidrojenden 400.000 kat daha fazla olduğu ve oksihidrojen reaksiyonunun ideal koşullarından çok uzak olduğu düşünüldüğünde, bu daha da etkileyici. Süreç yavaş olsa da, hesapladığımız gibi, zor zamanlarda bir organizmayı ayakta tutmaya yetiyor," diyor.

"Bu süreç sadece atmosferdeki hidrojen konsantrasyonunun neden sabit kaldığını değil, aynı zamanda organik moleküllerin yokluğuna rağmen kuru Antarktika çölünde yaşamın nasıl mümkün olduğunu veya organizmaların enerji kaynağı olmadan uzun süre hayatta kalabildiğini de açıklıyor," diyor çalışmanın baş yazarı ve Bern Üniversitesi Kimya, Biyokimya ve Eczacılık Bilimleri Bölümü'nde eski yüksek lisans öğrencisi Sarah Soom. "Havadaki karbon monoksit veya metan gibi diğer eser gazların da benzer süreçleri mümkün kıldığı varsayılıyor. Ancak bu, hidrojenle ilk kez deneysel olarak gösterildi. Havada gerçekten yaşayabileceğiniz fikri büyüleyici," diyor von Ballmoos.

Reaksiyon Sürdürülebilir Enerji Üretimini Mümkün Kılıyor

Hidrojenin oksijenle tepkimesinin tek atık ürünü saf sudur. Soom, "Bu, yöntemi güneş ışığına benzer şekilde en çevre dostu enerji üretim yöntemlerinden biri haline getiriyor," diyor.

Von Ballmoos, "Hidrojen daha yüksek konsantrasyonlarda mevcutsa, ATP üretim hızı kat kat artırılabilir. Bu, örneğin ışık katalizli su parçalanması yoluyla sağlanabilirse, süreç sentetik biyolojide ATP üretimi için yeni standartlar belirleyebilir," diyor. Sürekli ve sürdürülebilir ATP üretimi, örneğin enzim destekli ilaç üretimi veya model sistemlerde yaşamın kökeninin anlaşılması için önemlidir. Von Ballmoos, "Hâlâ cevaplanmamış birçok soru var ve sentetik solunum zinciri daha da optimize edilebilir. Ancak, çalışma uygulanabilirlik yolunda bir dönüm noktası ve daha fazla heyecan verici potansiyel uygulama için bir başlangıç," diye ekliyor.

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1186812/organisms-can-produce-energy-from-air.html