Хотя нюансы того, как микробы используют солнечный свет, воду и элементы, такие как углерод и азот, для выживания, могут показаться оторванными от современной жизни, такие знания имеют ключевое значение для нашей способности удовлетворять потребности в энергии растущего населения нашей планеты.«Конечная цель здесь — получать энергию от солнца и воды и производить полезную энергию», — сказал микробиолог Алекс Беляев, один из двух ученых Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики, которые руководили исследованием. "Чем больше мы знаем о путях, задействованных в этом процессе, тем больше вероятность, что мы сможем найти простой и экономичный способ производства возобновляемой энергии. Организмы, которые производят чистую энергию, естественным образом представляют собой своего рода план того, как мы могли бы это сделать. . "Последнее открытие, опубликованное в Scientific Reports, касается цианобактерии, известной как Cyanothece 51142, типа бактерий, также называемых сине-зелеными водорослями, которые производят водород — ресурс, который является одним из основных направлений всемирного стремления к возобновляемой энергии.Ученые PNNL обнаружили, что организм использует неожиданный источник энергии для создания водорода.
Исследователям известно, что 51142 производит водород, потребляя сахара, которые он хранит во время роста. В этом исследовании исследователи PNNL обнаружили, что организм также использует второй источник энергии, используя солнечный свет и воду непосредственно для производства водорода.
Цианобактерии: центральное место в жизни и производстве энергииТакие организмы, как цианобактерии, сделали возможной жизнь на планете, производя кислород для нашей атмосферы 2,3 миллиарда лет назад.
Они также преобразуют изобилие азота в нашей атмосфере в форму, необходимую для всей растительной жизни на планете.«Если мы хотим понять жизнь на Земле и то, как ее улучшить, это отличное место для начала», — сказал первый автор Ханс Бернштейн, выдающийся постдокторант PNNL Линус Полинг. Бернштейн и Беляев — соавторы статьи.Многие из этих организмов оснащены ферментом, называемым нитрогеназой, для преобразования инертного атмосферного азота в формы, более удобные для растений и других организмов.
Ученым давно известно, что нитрогеназа в качестве побочного продукта производит небольшие количества молекулярного водорода. Когда азота нет, организм производит водород.
Это свойство фермента, на котором сосредоточены такие ученые, как Бернштейн и Беляев.Команда установила Cyanothece 51142 в биореакторе, ограничила подачу азота и держала свет включенным 24 часа в сутки в течение нескольких недель. Команда использовала ряд высокотехнологичного оборудования для получения сложных поминутных профилей организма, преобразующего световую энергию в водород. Ученые провели многие из своих анализов, используя возможности EMSL, Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, пользовательского центра Министерства энергетики в PNNL, чтобы «исследовать» гены и белки организма по мере их изменения во время реакции.
Выражаясь научным языком, команда провела «мультиомический эксперимент», изучая геномику, транскриптомику и протеомику активности организма, а также кинетику его реакций. Ученые тщательно изучили 5 303 гена и 1360 белков в восемь раз в течение 48 часов, пока бактерии с ограниченным запасом азота включали активность белка нитрогеназы.Ученые обнаружили, что организм не только использует ранее накопленную энергию, но и улавливает свет и использует эту энергию для расщепления воды для создания водорода в реальном времени. Поскольку один компонент организма вырабатывает энергию, собирая энергию света, другая часть одновременно использует эту энергию для создания водорода.
Надежное производство водородаУченые знают, что этот организм является надежным производителем водорода, создавая этот ресурс быстрее, чем другие известные природные системы.
«Этот организм может производить много водорода очень быстро; это жизнеспособный катализатор производства водорода», — сказал Бернштейн. «Фермент, производящий водород, требует огромного количества энергии. Настоящий вопрос заключается в том, что финансирует энергетический бюджет этого важного фермента, а затем, как мы можем спроектировать и контролировать его для создания возобновляемого топлива и развития биотехнологии?»В статье, опубликованной в 2012 году в mBio, Беляев и его коллеги подняли вопросы о том, как микроб использует энергию, необходимую для производства водорода. В новой статье молекулярные сигналы, изученные командой, показывают, что фотосинтез и производство водорода нитрогеназой происходят согласованно, рука об руку.
В команду входят 11 исследователей из PNNL. Беляев начал этот проект семь лет назад в рамках исследований по производству водорода, связанных с биотопливом, и Бернштейн начал его, когда два года назад присоединился к PNNL.
«Наша основная цель — понять фундаментальные процессы, происходящие в природе, чтобы мы могли научиться разрабатывать сложные биологические системы и управлять ими, чтобы поддерживать здоровых людей на здоровой планете», — добавил Бернштейн.