Una nuova grande scoperta per estrarre elettricità dall'aria

L’idrogeno presente in basse concentrazioni nell’aria che respiriamo è consumato da processi che avvengono principalmente nel terreno e che, per molto tempo, sono stati considerati inorganici. Da circa un decennio, è invece noto che oltre i due terzi dell’idrogeno atmosferico sono consumati da batteri di gruppi diversi che vivono nei suoli, i quali riescono ad utilizzare questo gas – presente a bassissime concentrazioni nell’aria – per ridurre l’ossigeno, presente a concentrazioni ben maggiori.

Finora, il processo attraverso cui questo fenomeno avveniva è rimasto un mistero; adesso, con un nuovo, bellissimo lavoro su Nature, un gruppo di ricerca australiano ha dimostrato che i batteri consumano l’idrogeno atmosferico attraverso speciali enzimi, con particolarissime proprietà e un’incredibile efficienza, per alimentare una catena di trasporto di elettroni analoga a quella che alimentiamo noi quando respiriamo nei nostri mitocondri, fino a ridurre l’ossigeno in acqua.

In altre parole, i batteri creano letteralmente delle correnti elettriche a partire dall’aria, attraverso le quali sono in grado di alimentare il proprio metabolismo energetico, specialmente in condizioni di scarsità di altre fonti di energie.

Si tratta di un fenomeno mirabile, di cui vale la pena di dare qualche dettaglio, la cui importanza anche per future applicazioni sarà chiara alla fine di questo breve riassunto. Molti batteri, in condizioni anaerobiche, sono capaci di utilizzare l’idrogeno come donatore di elettroni per alimentare correnti elettrochimiche e infine ridurre un accettore, che può essere per esempio lo zolfo, ma anche altri tipi di sostanze chimiche; come in una microscopica batteria, un flusso di elettroni, cioè una corrente elettrica, parte da un minuscolo anodo, cioè dal sito di una specifica proteina in cui avviene l’ossidazione dell’idrogeno molecolare, per raggiungere un diverso sito su una diversa proteina che funge da catodo, ove avviene la riduzione dell’accettore finale degli elettroni trasportati. Il trasporto di elettroni viene sfruttato per creare per esempio un potenziale elettrochimico, trasportando ioni fuori dalla cellula (o dalla parte interna del mitocondrio), potenziale che poi alimenterà una macchina molecolare specifica in grado di produrre molecole utili ad alimentare il metabolismo energetico della cellula.

Il problema è che, in condizioni aerobiche, l’ossigeno atmosferico impedisce di norma l’ossidazione delle tracce di idrogeno atmosferico presente, “avvelenando” gli enzimi ad esso deputati.

Invece, nel nuovo lavoro si è trovato che un tipo specifico di enzima batterico, chiamato Huc, è in grado di catturare selettivamente al suo interno l’idrogeno molecolare, attraverso una sorta di setaccio che impedisce l’ingresso al più grande ossigeno, ma lascia diffondere il gas di interesse; il tutto, grazie alla forte affinità del sito attivo interno all’enzima, con un’efficienza così alta da riuscire ad estrarre l’idrogeno dall’ambiente anche a concentrazioni molto più basse di quelle a cui è naturalmente presente nell’aria. Una volta all’interno dell’enzima, avviene una speciale reazione di ossidazione, che scinde l’idrogeno molecolare in ioni, generando due elettroni per molecola di idrogeno; questi entrano in un circuito di trasporto, e la microscopica corrente raggiunge quindi il suo “catodo” nanometrico, dove riduce l’ossigeno dell’aria in acqua.

Il processo di funzionamento di questa minuscola pila ad aria è già, in sé, meraviglioso; ma, e qui arriviamo all’interesse applicativo, la cosa davvero notevole è che esso funziona ugualmente bene anche al di fuori della cellula batterica di origine. In particolare, i ricercatori hanno messo parte dell'enzima purificato in una piccola fiala con idrogeno e un accettore di elettroni che cambia colore quando è ridotto, dimostrando che in provetta l’idrogeno era consumato fino ad essere non più rivelabile, mentre il colore dell’accettore di elettroni cambiava; il tutto in un intervallo di temperature da zero a 80 gradi, e senza che l’enzima si degradasse nel tempo. Hanno anche costruito semplici circuiti elettrici con Huc attaccato a un elettrodo e hanno scoperto che potevano così generare piccole correnti, in cui gli elettroni erano trasferiti ad un catodo metallico.

Huc potrebbe quindi essere utilizzato nelle celle a combustibile o per generatori che alimentano dispositivi a bassa energia, se potesse essere prodotto in volumi sufficientemente grandi – una cosa ancora da dimostrare. Tuttavia, il dettaglio con cui è stato descritto il meccanismo di funzionamento dell’enzima rende possibile la progettazione di enzimi artificiali simili con proprietà ancora migliori, soprattutto in termini di industrializzazione; e forse, in questo modo, dopo miliardi di anni da quando il processo si è evoluto naturalmente, anche noi potremo sfruttarlo a nostro vantaggio per estrarre letteralmente elettricità dall’aria.