空気中の水素から電気を取り出す：バクテリアの酵素で大気中の水素からエネルギーを取り出す

2023年3月9日 15:27

https://theconversation.com/electricity-from-thin-air-an-enzyme-from-bacteria-can-extract-energy-from-hydrogen-in-the-atmosphere-200432

公開しました。2023年3月8日19時7分（日本時間
モナシュ大学 Chris Greening、Ashleigh Kropp、Rhys Grinter
意外に思われるかもしれませんが、土壌細菌の中には、他に食べ物がないような厳しい状況のときに、空気中の微量な水素をエネルギー源として消費するものがあります。
実際、バクテリアは年間7000万トンもの水素を大気中から除去しており、このプロセスは私たちが呼吸する空気の組成を文字通り形成している。
私たちは、一部のバクテリアが水素を消費してエネルギーを取り出すことを可能にする酵素を単離し、それが微量の水素でも直接電流を発生させることができることを発見しました。
この酵素は、将来、小型で持続可能な空気発電装置の動力源となる可能性があることが、『Nature』誌の新しい論文で報告されました。
空気を電気に変える秘密はバクテリアの遺伝子にあった
この発見をきっかけに、私たちは空気中の水素を消費する土壌細菌「マイコバクテリウム・スメグマティス」の遺伝子コードを分析しました。
この遺伝子には、水素を消費してエネルギーに変換する分子機械の設計図が書き込まれています。この機械は「ヒドロゲナーゼ」と呼ばれる酵素で、私たちはこれを略して「Huc」と名付けました。
水素は最も単純な分子で、プラスに帯電した2つの陽子が、マイナスに帯電した2つの電子によって形成された結合によって結合されています。Hucはこの結合を切断し、プロトンを別れさせ、電子を放出する。
Huc酵素は、細菌M. smegmatisから単離された。リース・グリンター
この自由電子は、バクテリアの中で「電子伝達系」と呼ばれる複雑な回路に流れ込み、細胞のエネルギー源として利用されます。
つまり、Hucは水素を直接電流に変換しているのです。
水素は大気中のわずか0.00005％しかありません。この低濃度のガスを消費することは、既知の触媒では実現できない困難な課題です。さらに、大気中に豊富に存在する酸素は、水素を消費する触媒の活性を低下させる。
細菌が空気中で生きていくための酵素を分離
そこで、HucをM.smegmatis細胞から分離することにしました。
そのためのプロセスは複雑でした。まず、スメグマチス菌がこの酵素を作るための遺伝子を改変しました。その際、Hucに特定の化学配列を追加することで、M. smegmatis細胞からHucを単離することができました。
続きを読む南極の細菌が空気中で生活し、水素を燃料に水を作ることを発見
Hucを発見するのは簡単なことではありませんでした。数年の歳月をかけ、実験に行き詰まった末に、ようやくこの巧妙な酵素の高品質のサンプルを単離することができたのです。
しかし、その苦労の甲斐あって、最終的にできたHucは非常に安定しています。80℃から-80℃の低温でも活性を失わないのです。
空気から水素を取り出すための分子設計図
Hucを分離した私たちは、この酵素がいったいどんな働きをするのか、本格的な研究に着手しました。空気中の水素を、どうやって持続可能な電力源に変えることができるのか。
驚くべきことに、バクテリアから分離したHucは、空気中の微量な水素よりもはるかに低い濃度で水素を消費できることがわかったのです。実際、ガスクロマトグラフ（ガス濃度を測定するための高感度な装置）では検出できないほど微量の水素を摂取していました。
また、Hucは酸素の影響を全く受けないという、他の水素を消費する触媒にはない特性を持っていることも分かりました。
Huc酵素の原子構造図。Rhys Grinter, CC BY-NC
水素を電気に変換する能力を評価するために、電気化学と呼ばれる技術を用いました。その結果、Hucは空気中の微量濃度の水素を直接電気に変換し、電気回路に電力を供給できることがわかりました。これは、水素を消費する触媒としては驚くべき、前例のない成果です。
私たちは、Hucがどのように水素を消費するのかを分子レベルで研究するために、いくつかの最先端の方法を用いました。その中には、原子構造と電気経路を決定するための高度な顕微鏡法（極低温電子顕微鏡法）と分光法が含まれ、この方法で報告された中で最も高度に分解された酵素の構造を生み出すために限界に挑戦しました。
酵素は空気を利用して明日のデバイスの動力源となる可能性がある
この研究はまだ始まったばかりで、Hucの可能性を実現するためには、いくつかの技術的課題を克服する必要があります。
ひとつは、Hucの生産規模を大幅に拡大する必要があることです。研究室ではミリグラム単位でHucを生産していますが、これをグラム単位、ひいてはキログラム単位まで拡大したいと考えています。
しかし、私たちの研究は、Hucが空気や加えた水素から持続的に電流を生み出す「天然のバッテリー」のように機能することを実証しています。
そのため、Hucは、太陽光発電に代わる小型で持続可能な空気発電装置の開発に大きな可能性を持っています。
空気中の水素が供給するエネルギー量はわずかですが、生体情報モニター、時計、LEDグローブ、シンプルなコンピューターなどに十分な電力を供給できる可能性があります。水素の量が増えれば、Hucはより多くの電気を作り出し、より大きな機器に電力を供給できる可能性があります。
空気中の水素を消費するHucの想像図。アリーナ・クロフティナ
また、水素を検知するためのHucベースの生体電気センサーを開発することで、非常に高い感度を実現することができます。Hucは、急成長する水素経済のインフラや医療現場での漏れを検出するのに非常に有効です。
つまり、この研究は、土壌中のバクテリアがどのように自らを養うかという基本的な発見が、生命の化学の再構築につながることを示すものです。最終的には、未来の技術開発にもつながるかもしれません。
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