Wyjątkowy producent wodoru

Niepozorna morska bakteria może stać się w przyszłości źródłem paliwa. Cyanothece 51142, jednokomórkowy organizm z gromady cyjanobakterii, potrafi produkować duże ilości wodoru. Dotychczas wszystkie znane organizmy produkujące wodór wytwarzały go wyłącznie w środowisku beztlenowym, co czyniłoby ich przemysłowe wykorzystanie bardzo drogim.

Cyanothece 51142 została odkryta u wybrzeży Teksasu w 1993 roku. Teraz Himadri Pakrasi z Washington University w St. Louis zauważył, że jej cykl dobowy - a cyjanobakterie to jedyne prokarioty mające zróżnicowany cykl dobowy - składa się z dwóch części.

Wszystkie cyjanobakterie są w stanie wiązać atmosferyczny węgiel, ale cyanothece 51142 jest wyjątkowa, gdyż potrafi wiązać też azot. Dzięki temu bakteria jest w stanie przeżyć w różnych środowiskach, gdyż łatwiej potrafi się do nich dostosować. Jedynym problemem jest fakt, że nitrogenaza, enzym służący do wiązania azotu, jest bardzo wrażliwa na tlen. To powoduje, że proces wiązania węgla - a zatem fotosynteza - którego produktem ubocznym jest produkcja tlenu, musi być oddzielony od procesu wiązania azotu. Bakteria radzi sobie z tym wykorzystując rytm dobowy. W ciągu dnia przeprowadza fotosyntezę emitując tlen, a w nocy wiąże azot, emitując wodór. Proces ten jest bardzo wydajny, na każdą molekułę azotu organizm emituje molekułę wodoru.

Oba procesy napędzają się wzajemnie. Glikogen, który bakteria produkuje za dnia, jest zużywany do wiązania azotu w nocy. Gdy nadchodzi dzień, związany azot używany jest do tworzenia protein go zawierających.

Ścisłe oddzielenie obu procesów powoduje, że nie konkurują one ze sobą. W ciągu nocy bakteria metabolizuje glikogen (czyli oddycha). Zużywany jest przy tym tlen wewnątrz komórki, co powoduje, że powstaje tam środowisko beztlenowe, potrzebne do pracy nitrogenazy.

Bardzo przydatny okazał się też fakt, że cyanothece ustala rytm dobowy w zależności od zmiany oświetlenia, ale gdy raz się on ustali, nie zmienia się nawet wówczas, gdy organizm poddany jest ciągłemu działaniu światła. Jak mówi Pakrasi, bakteria doświadcza "subiektywnej ciemności" przez 12 godzin na dobę. Co jeszcze bardziej zaskakujące - bakterie, które po ustaleniu rytmu dobowego żyją w bez przerwy oświetlonym środowisku produkuje więcej wodoru, niż bakteria doświadczająca naturalnych zmian oświetlenia. Prawdopodobnie dzieje się tak, gdyż energia światła w jakiś sposób napędza reakcję nitrogenazy. Na razie jednak naukowcy nie wiedzą, dlaczego takie zjawisko zachodzi.

Wpadli za to na kolejny pomysł zwiększenia produkcji wodoru. Postanowili podawać bakteriom glicerol, który jest używany jako dodatek do żywności. Na takiej diecie nitrogenaza jest bardziej aktywna i produkuje więcej wodoru.

Profesora Pakrasi najbardziej intryguje nie użyteczność cyanothece 51142, ale jej pomysłowość. Unikatowy metabolizm tych organizmów powoduje, że produkują wodór - czyste paliwo - korzystając z dwóch produktów ubocznych. Glicerolu, który powstaje przy produkcji biodiesla oraz dwutlenku węgla.

Wkrótce cyanothece trafią do olbrzymiego bioreaktora, w którym będą poddawane kolejnym testom.

Himadri Pakrasi wodór cyjanobakteria cyanothece 51142