Поглинання CO2 за допомогою електрики: Мікробний фермент надихає електрохімію

Науковці із Інституту морської мікробіології розробили ефективний фермент, який перетворює атмосферний CO2 в бездоганний формальдегід.

фото з Canva.com

На шляху до нового рішення для утилізації атмосферного CO2

Людина постійно викидає парникові гази, погіршуючи глобальне потепління. Наприклад, вуглекислий газ (CO2) значно накопичується з роками і є хімічно дуже стабільним. Проте деякі мікроби захоплюють CO2 за допомогою високоефективних ферментів. Вчені з Інституту морської мікробіології імені Макса Планка в Бремені спільно з Женевським та Радбудським університетами виділили один з таких ферментів. Коли фермент був електронно розгалужений на електроді, вони спостерігали перетворення CO2 на формальдегід з бездоганною точністю. Це явище послужить поштовхом для створення нових систем фіксації СО2 через його надзвичайну спрямованість і швидкість. Результати дослідження опубліковані в журналі "Angewandte Chemie".

Процес перетворення газу за допомогою електродної ферментативної реакції

Пошук мікроорганізмів, які ефективно поглинають парниковий газ CO2

"Ферменти, які використовують мікроорганізми, є фантастичним майданчиком для вчених, оскільки вони дозволяють проводити вузькоспеціалізовані реакції з високою швидкістю", - говорить Трістан Вагнер, керівник дослідницької групи "Мікробіологічний метаболізм" Інституту морської мікробіології ім. Макса Планка (MPIMM). Деякі з цих ферментів мають цікавий спосіб захоплення СО2: Вони перетворюють його на форміат - стабільну і безпечну сполуку, яку можна використовувати для зберігання енергії або для синтезу різних молекул у промислових чи фармацевтичних цілях. Одним із прикладів є Methermicoccus shengliensis, метаноген (мікроб, що виробляє метан), виділений з нафтового родовища, який росте при 50 °C. Протягом останніх років його культивували і вивчали Джулія Курт і Корнелія Велте в Університеті Радбуда в Нідерландах. В Інституті морської мікробіології Макса Планка Олів'є Лемер, Мелісса Белхамрі та Трістан Вагнер препарували мікроб, щоб знайти його фермент, який захоплює СО2, і виміряти, наскільки швидко та ефективно він може трансформувати СО2.

Фермент, що перетворює CO2, з великим потенціалом

Вчені з Макса Планка взялися за складне завдання - виділити мікробний фермент. "Оскільки ми знали, що такі ферменти чутливі до кисню, нам довелося працювати в анаеробному наметі без доступу повітря, щоб відокремити його від інших білків - досить складно, але нам це вдалося", - розповідає Олів'є Лемер. Після отримання ферменту вчені охарактеризували його властивості. Вони показали, що він ефективно генерує утворення з СО2, але здійснює зворотну реакцію з дуже повільною швидкістю і низьким виходом. "Подібні ферменти, що належать до родини форміатдегідрогеназ, добре відомі тим, що діють в обох напрямках, але ми показали, що фермент з Methermicoccus shengliensis є майже односпрямованим і не може ефективно перетворювати форміат назад у CO2", - повідомляє Мелісса Белхамрі. "Ми були дуже схвильовані цим явищем, яке відбувається лише за відсутності кисню", - додає вона. "Оскільки формат, що утворюється при поглинанні СО2, не може бути перетворений назад і тому накопичується, така система була б дуже цікавим варіантом для уловлювання СО2, особливо якщо б ми могли розгалужувати його на електроді", - зазначає Трістан Вагнер. Перевага полягає в наступному: Коли фермент природно або хімічно приєднаний до електрода, "енергія", необхідна для уловлювання CO2, буде безпосередньо передаватися електродом, без втрат електричного струму або необхідності використання дорогих або токсичних хімічних сполук в якості реле. Отже, ферментні електроди є ефективними і вигідними системами для процедур конверсії газу. Таким чином, очищений фермент було відправлено до Женевського університету для створення системи уловлювання СО2 на основі електродів.

Перетворення газу на основі електроенергії

Селміхан Сахін та Росс Мілтон з Женевського університету - фахівці з електрохімії. Вони використовують електроди, підключені до електричного струму, для проведення хімічних реакцій. Електродна генерація форміату з CO2 часто вимагає застосування шкідливих і рідкісних металів, тому вони спробували замінити ці метали ферментом, отриманим в групі Трістана Вагнера в MPIMM. Процедура зв'язування ферменту на електроді не завжди є настільки ефективною, як очікувалося, але фермент з дослідницької групи Вагнера має специфічні характеристики, які могли б полегшити цей процес. Вченим зі Швейцарії вдалося закріпити фермент на графітовому електроді, де він здійснював перетворення газу. Виміряні показники виявилися близькими до тих, що були отримані за допомогою класичних форміатдегідрогеназ. " Перевага цієї біологічної системи, з'єднаної з електродом, полягає в її ефективності в передачі електронів від електрики до перетворення CO2", - підкреслює Лемер. Сахін і Мілтон також підтвердили, що система погано виконує зворотну реакцію, яку раніше спостерігали в реакційній пробірці. Отже, модифікований електрод безперервно перетворював парниковий газ на утворюваний без будь-яких помітних побічних продуктів або втрат електричного струму.

На шляху до нового рішення для утилізації атмосферного CO2

Спільна робота надає науковій спільноті новий молекулярний інструмент: Фермент, що перетворює CO2 шляхом передачі електроенергії з високою ефективністю. Відновлювана зелена енергія (наприклад, вітер або сонце) може забезпечити електроенергією систему на основі електродів, яка перетворить CO2 у форміат - молекулу, придатну для застосування або для зберігання енергії. "До нас ніхто ніколи не намагався вивчати фермент з такого метаногену для електродного перетворення газу, - каже Трістан Вагнер. "Проте метаногени є природними видатними перетворювачами газу". Якими б потужними вони не були, використання ферментів для великомасштабних процесів також потребуватиме аналогічних систем виробництва ферментів, що вимагає значних інвестицій. Тому, хоча відкрита стратегія теоретично може значно покращити перетворення CO2, перед її застосуванням необхідне глибоке знання механізму ферменту, і команді дослідників тепер доведеться глибоко розкрити молекулярні секрети реакції.
Джерело: https://www.chemeurope.com/