Các nhà khoa học tại Đại học Indiana đã chế tạo thành công một loại vật liệu sinh học hiệu quả cao xúc tác sự hình thành hydro, đây là phương pháp phân tách nước rất hiệu quả để sản xuất hydro và oxy làm nhiên liệu cho xe ô tô giá rẻ chạy bằng nước.

Sử dụng enzyme sửa đổi được bảo vệ bên trong lớp vỏ protein của một loại virus vi khuẩn, vật liệu mới này hiệu quả hơn 150 lần so với hình thức không sửa đổi của enzyme này.

“Về cơ bản, chúng tôi tận dụng khả năng tự lắp ráp hàng ngàn khối xây dựng di truyền của virus và kết hợp một enzyme rất mỏng manh và nhạy cảm với thuộc tính đáng chú ý của việc thu nhận proton và giải phóng ra hydro”, GS. Trevor Douglas từ Đại học Indiana, người dẫn dắt nghiên cứu cho biết. “Kết quả cuối cùng là một hạt giống virus có hành vi giống như một vật liệu có độ tinh vi cao xúc tác sản xuất hydro”.

Vật liệu di truyền này tạo ra enzyme, hydrogenase được sản xuất từ hai gen của vi khuẩn phổ biến Escherichia coli, được đưa vào bên trong lớp vỏ protein bảo vệ của virus bằng cách sử dụng các phương pháp mà họ đã phát triển trước đó. Các gen hyaA và hyaB là hai gen của E. coli mã hóa các tiểu đơn vị then chốt của enzyme hydrogenase. Lớp vỏ bọc mà nhóm nghiên cứu sử dụng là vỏ protein của virus vi khuẩn có tên là thể thực khuẩn P22.

Vật liệu sinh học thu được, được gọi là “P22-Hyd” không chỉ hiệu quả hơn enzyme không sửa đổi mà còn được sản xuất bằng một quá trình lên men đơn giản ở nhiệt độ phòng.

Việc sản xuất vật liệu này có khả năng ít tốn kém và thân thiện môi trường hơn so với các vật liệu khác hiện đang được sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu. Ví dụ, bạch kim là kim loại đắt và hiếm thường được sử dụng để sản xuất nhiên liệu hydro trong các sản phẩm như xe ô tô cao cấp.

“Vật liệu này có thể so sánh với bạch kim, ngoại trừ nó tái tạo”, Douglas nói. “Bạn không cần phải khai thác nó, bạn có thể tạo ra nó ở nhiệt độ phòng với quy mô lớn bằng công nghệ lên men; nó phân hủy sinh học. Đây là một quá trình rất xanh để tạo ra vật liệu bền vững rất cao cấp”.

Ngoài ra, P22-Hyd vừa phá vỡ các liên kết hóa học của nước để tạo ra hydro vừa hoạt động ngược lại để tái kết hợp hydro và oxy tạo ra năng lượng. “Phản ứng này hoạt động theo cả hai cách, nó có thể được sử dụng như một chất xúc tác sản xuất hydro hoặc như một chất xúc tác pin nhiên liệu”, Douglas nói.

Hình thức này của Hydrogenase là một trong ba hình thức có trong tự nhiên: sắt-sắt (FeFe) hydrogenase, sắt (Fe-only) hydrogenase và niken-sắt (NiFe) hydrogenase. Hình thức thứ ba được lựa chọn cho loại vật liệu mới này do khả năng dễ dàng tích hợp vào các vật liệu sinh học và chịu được phơi nhiễm với oxy.

Khi được đóng gói, NiFe-hydrogenase cũng tăng đáng kể khả năng chống chịu phân hủy từ các hóa chất trong môi trường và nó vẫn duy trì được khả năng này để xúc tác ở nhiệt độ phòng. Ngược lại NiFe-hydrogenase không sửa đổi rất dễ bị các hóa chất trong môi trường phân hủy và bị phá vỡ ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng - cả hai điều này làm cho các enzyme không được bảo vệ không được lựa chọn để sử dụng trong các sản phẩm chế tạo và thương mại, chẳng hạn như ô tô.

Các đặc tính nhạy cảm như vậy là “một số lý do chính khiến các enzyme trước đây không khả thi về mặt công nghệ”, Douglas nói. Một khó khăn khác là chúng khó sản xuất.

“Chưa có ai có thể sản xuất ra một lượng đủ lớn hydrogenase này mặc dù tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học của chúng rất lớn. Nhưng bây giờ chúng tôi đã có một phương pháp để ổn định và sản xuất số lượng lớn vật liệu này - và tăng đáng kể hiệu suất”, ông nói.