Ny studie avslöjar hur mikroorganismer extraherar vätgas ur atmosfären

En helt ny biologisk metod för att extrahera vätgas från luft har identifierats av forskare vid bland annat Uppsala universitet. Forskningen har utförts av ett internationellt och tvärvetenskapligt forskarlag och publiceras i tidskriften Nature. Upptäckten kan på sikt bidra till ett minskat beroende av fossila bränslen.

Att minska vårt beroende av kol och olja genom att utveckla nya bränslen har varit ett hett forskningsområde i många år. Framför allt har forskare och industrin alltmer inriktat sig på vätgas som en framtida energibärare för att komplettera batterier. Idag är vi beroende av den dyrbara metallen platina för att extrahera energin ur vätgas, vilket inte ger någon storskalighet.

Evolutionen har dock redan utvecklat en avancerad vätgasekonomi och den energirika vätgasmolekylen används som föda av många mikroorganismer.

Vätgas är en naturlig del av metabolismen för många grönalger och bakterier. De molekylära maskiner, eller enzym, som står för tillverkning och förbränning av den energirika vätgasen kallas för hydrogenaser. Tack vare sin extremt höga kapacitet har hydrogenaser länge varit i fokus för forskare som arbetar med förnybar energi. Dessa enzymer uppstod dock tidigt under evolutionen och utvecklades långt innan fotosyntesen fyllde atmosfären med syre, och de är således generellt sett dåligt anpassade för vår syrerika atmosfär.

– Vätgasmetabolism har klassiskt sett varit förknippat med organismer i speciella syrefattiga miljöer rika på vätgas som till exempel våtmarker. På senare år har dock vätgasens betydelse även i syrerika miljöer börjat uppmärksammas. Innan den här rapporten har det dock inte varit utrett hur mikroorganismer kan tillgodogöra sig de spårmängder av vätgas vi har i atmosfären, eller leva på luft om man vill uttrycka sig mer målande, säger Gustav Berggren, lektor och forskningsgruppledare vid Uppsala universitet.

Att leva på luft

Forskare vid bland annat Uppsala universitet har nu isolerat och kartlagt en unik variant av ett så kallat nickel-järn hydrogenasenzym som inte bara tål syrgas, utan även är kapabelt att extrahera de spårmängder av vätgas som finns i vår atmosfär för att därigenom förse bakterien med energi.

– Den här studien har klarlagt hur mikroorganismer kan överleva i extrema miljöer. Genom att livnära sig på vätgasen som de fångar upp ur atmosfären klarar de sig i miljöer som saknar såväl vatten som uppenbara näringskällor, som till exempel polarregionerna. Studien ökar därigenom vår förståelse för atmosfärens betydelse för att upprätthålla vår diversitet av mikroorganismer och kan ge ledtrådar när vi letar efter liv på nya platser, säger Princess Cabotaje, doktorand vid Uppsala universitet.

– Vår studie visar hur detta unika enzym har anpassats på strukturell nivå genom evolutionen för att inte bara fungera i syrerika miljöer utan även fånga in extremt låga halter av vätgas. Att utvinna energi ur luft är knappast av direkt intresse för oss människor, men detta enzym visar hur evolutionen har utvecklat extremt effektiva och robusta system för att hantera vätgas baserat på enkla byggstenar som järn och nickel. Detta kan i sin tur inspirera vår design av nya katalysatorer för denna kemi, säger Moritz Senger, forskare vid Uppsala universitet.

Referens: R. Grinter et al. (2023) Structural basis for bacterial energy extraction from atmospheric hydrogen, Nature (doi.org/10.1038/s41586-023-05781-7)

Studien är ett samarbete mellan forskare från bland annat Australien, Storbritannien och Sverige.

För ytterligare information kontakta:
Gustav Berggren, lektor i molekylär biomimetik, institutionen för Kemi – Ångström, Uppsala universitet, tfn: 018-471 65 83, e-post: gustav.berggren@kemi.uu.se
Chris Greening, professor i mikrobiologi, Monash University, Australien, e-post: Chris.Greening@monash.edu