Дослідники Бернського університету у співпраці з вченими з Австралії та Нової Зеландії відтворили в лабораторії важливий процес, який дозволяє організмам видобувати енергію безпосередньо з повітря. Це підтверджує, що певні організми, такі як бактерії, справді можуть жити лише на повітрі, не покладаючись на сонячне світло чи інші джерела енергії. Ці результати відкривають нові можливості для сталого виробництва енергії.
Водень зустрічається в нашій атмосфері лише у вигляді слідових коливань, у концентрації 0.00005%. Ця концентрація залишається майже постійною, незважаючи на 70 мільйонів тонн нового водню, що щорічно виробляється – переважно через фотохімічні процеси та виробництво, індуковане людиною. Причина цієї сталості довго була незрозумілою, але зараз відомо, що більша його частина поглинається мікроорганізмами, такими як бактерії в ґрунті, які використовують водень як джерело енергії. Спеціалізовані ферменти, які називаються гідрогеназами, захоплюють ці надзвичайно рідкісні молекули водню з повітря та перетворюють їх на енергію.
Дослідники з Бернського університету разом з колегами з Університету Отаго, Технологічного університету Квінсленда, Університету Монаша та Мельбурнського університету вперше успішно відтворили теоретичний процес генерації організмами енергії з атмосферного водню в лабораторії. Результати, щойно опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), надають перші докази того, що цей процес насправді відбувається, і пояснюють, серед іншого, чому певні організми можуть виживати протягом тривалого часу без сонячної енергії чи інших джерел енергії.
Водень і кисень реагують, утворюючи воду та вивільняючи енергію.
На уроках хімії цей процес вивільнення енергії класично демонструється за допомогою реакції оксиводню. Дві частини водню та одна частина кисню змішуються в повітряній кульці та підпалюються. Реакція призводить до гучного вибуху, і в результаті утворюється вода. Гучний вибух показує, що поєднання цих двох газів є дуже багатим на енергію, але вимагає початкової енергії у вигляді тепла. Крістоф фон Балльмос, керівник дослідницької групи на кафедрі хімії, біохімії та фармації Бернського університету, ініціатор і старший автор дослідження, пояснює: «По суті, та сама реакція відбувається в бактеріальній клітині. Однак вона суворо контролюється та каталізується ферментами і не вимагає початкового запалювання. Реакція в бактеріях поділяється щонайменше на три етапи, щоб вивільнена енергія зберігалася у вигляді клітинної енергії АТФ, а не втрачалася у вигляді тепла, як в експерименті з оксиводнем».
АТФ (аденозинтрифосфат) є найважливішим джерелом енергії в клітині та використовується для численних завдань, таких як засвоєння поживних речовин або виробництво ДНК і білків. АТФ діє як невелика акумуляторна батарейка, яка відновлюється після використання.
Щоб перевірити, чи може цей теоретичний процес насправді відбуватися в організмах, дослідники реконструювали мінімальний синтетичний дихальний ланцюг з очищених компонентів. У людей клітинне дихання відбувається в мітохондріях і перетворює енергію з їжі на АТФ. Електрони поступово переносяться від багатих енергією молекул до кисню. Енергія, що вивільняється таким чином, використовується для руху протонного циклу, який генерує АТФ за допомогою нанотурбіни.
У поточному дослідженні вчені створили мінімальний синтетичний дихальний ланцюг, що складається лише з трьох ферментів, вбудованих у штучну ліпідну мембрану – один з яких (гідрогеназа) походить з Австралії, два інші (протонний насос і нанотурбіна) – з Берна. «Одна з труднощів цього експерименту, яку нам зрештою вдалося подолати, полягала у включенні білків у мембрану таким чином, щоб протони перекачувалися в правильному напрямку», – каже Стефан Монінг, другий автор дослідження та докторант кафедри хімії, біохімії та фармації Бернського університету.
Експерименти підтверджують теорію про те, що певні організми можуть виробляти енергію, необхідну для життєдіяльності, виключно з компонентів повітря. «Хоча водень присутній у повітрі лише в надзвичайно малих кількостях, три ферменти встигають зберегти енергію реакції та перетворити її на АТФ. Це ще більш вражаюче, враховуючи, що кисню в повітрі в 400 000 разів більше, ніж водню, що далеко не ідеальні умови для оксиводневої реакції. Хоча процес повільний, його достатньо, щоб підтримувати організм живим у періоди низької продуктивності, як ми підрахували», — каже фон Балльмос.
«Цей процес пояснює не лише те, чому концентрація водню в атмосфері залишається постійною, але й те, чому життя можливе в посушливій антарктичній пустелі, незважаючи на відсутність органічних молекул, і чому організми можуть виживати протягом тривалого часу без джерела енергії», – пояснює Сара Соом, перший автор дослідження та колишня студентка магістратури кафедри хімії, біохімії та фармації Бернського університету. Підозрюється, що інші слідові гази в повітрі, такі як чадний газ або метан, сприяють подібним процесам. Однак зараз це вперше було експериментально продемонстровано з воднем.
Реакція водню з киснем утворює лише чисту воду як побічний продукт, що робить цей метод однією з найбільш екологічно чистих форм виробництва енергії, порівнянною з тією, що досягається за допомогою сонячного світла.
За словами дослідників, швидкість виробництва АТФ можна було б збільшити в багато разів, якби водень був присутній у вищій концентрації. «Якщо це вдасться, наприклад, шляхом світлокаталізованого розщеплення води, процес може встановити нові стандарти виробництва АТФ у синтетичній біології», — каже фон Балльмус. Безперервне та стале виробництво АТФ важливе, наприклад, для виробництва ліків на основі ферментів або для розуміння походження життя в модельних системах.
Оригінальна публікація
Soom, S. et al. (2025). Синтез АТФ, зумовлений концентрацією водню в атмосфері. PNAS. DOI: 10.1073/pnas.2506353122
також читати
Прорив: Дослідники виявили, як фермент підвищує вироблення метану | Pugnalom
Загадка розкрита: Як стародавні мікроби можуть дихати без кисню | Pugnalom
