Ископаемое топливо обеспечивает более 80% мировой энергии. После энергетических кризисов 1970-х, а затем в 90-х годах, когда возникла обеспокоенность по поводу парниковых эффектов, поиск альтернативных источников энергии продолжался.
Водород был особенно популярным кандидатом, потому что при его сжигании образуется только вода. Биотехнология обладает уникальными возможностями для использования водорода в качестве источника чистой энергии. Одна из возможностей заключается в использовании ферментов, называемых гидрогеназами, которые естественным образом встречаются в различных микроорганизмах, живущих в анаэробных экосистемах, таких как некоторые бактерии, живущие в почве и в кишечном тракте животных, или одноклеточные водоросли.Гидрогеназы катализируют превращение протонов в молекулы водорода (H2), при сгорании которых выделяется энергия, которую можно использовать, например, в топливных элементах и, следовательно, в биотехнологических устройствах.
Активный центр, катализирующий эту реакцию, содержит ионы металлов (железо или железо и никель). Разновидность гидрогеназ, содержащих только железо, наиболее активна для образования молекул водорода. Их удивительно сложный активный центр — так называемый H-кластер — скрыт в ядре большого белка.
Фатальной проблемой использования гидрогеназ в биотехнологических приложениях является то, что в аэробных условиях биореактора (при нормальном давлении кислорода) молекулярный кислород разрушает их активный центр. Поэтому понимание механизма процесса деградации H-кластера необходимо для разработки топливного элемента на водородной основе, но исследования до сих пор не были окончательными.
Чтобы решить эту загадку, международная группа исследователей объединила эксперименты, молекулярное моделирование и теоретические расчеты. Используя электрохимические методы, они точно измерили скорость различных стадий реакции, участвующих в разложении фермента кислородом.
Они изучили зависимость этих скоростей от экспериментальных параметров, таких как электродный потенциал, pH, обмен H2O / D2O и мутации определенных аминокислот в белке. Эти результаты подтверждают предсказания теоретических расчетов. С одной стороны, моделирование молекулярной динамики, проведенное сотрудником nanoGUNE Икербаском Дэвидом де Санчо, показывает туннели, по которым кислород следует, чтобы достичь активного центра белка, что является необходимым шагом для деградации и выявления возможных горячих точек для блокировки этих туннелей доступа. С другой стороны, теория функционала плотности использовалась для выяснения продуктов реакции и оценки констант скорости для отдельных стадий реакции.
Исследование, опубликованное 22 августа в журнале Nature Chemistry, позволило однозначно охарактеризовать сложные реакции, происходящие в этих больших биологических макромолекулах, с использованием инновационной комбинации вычислительного и экспериментального подходов. «Несмотря на то, что перед промышленным применением остаются важные задачи, это исследование открывает новые возможности для эффективного использования ферментов живых систем для производства чистой энергии», — говорит Де Санчо.