Водород называют топливом будущего, но добывать его экологично до сих пор сложно. В природе за это отвечают ферменты — гидрогеназы. Они работают эффективно, но для промышленности не подходят: слишком большие (600 аминокислот!), капризные к кислороду и требуют мощных электронов, которые еще нужно получить без вреда для среды.

Ученые из Бохумского университета решили упростить эту систему. Водород в [FeFe]-гидрогеназах производит железосодержащая молекула — кофактор. Сам по себе он «спит», но в белковой оболочке работает почти как платиновый катализатор.

Кофактор — «помощник» белка, небелковая молекула (например, ион металла или витамин), без которой фермент не работает. Здесь — синтетическая железосодержащая структура, имитирующая активный центр гидрогеназы.

Результаты опубликованы в издании Advanced Science.

Секрет в симбиозе

Исследователи задались вопросом: можно ли заменить сложный фермент чем-то   компактным? Водоросли используют для передачи электронов маленький белок — ферредоксин.

Мы проверили: а что, если ферредоксин сам начнет производить водород? — рассказывает Вера Энгельбрехт, соавтор работы.

Оказалось, некоторые ферредоксины справляются с этой задачей, но только если их «перепрограммировать».

Сотрудничество белка и кофактора удивило ученых.

Спектроскопия и квантово-химические расчеты показали: ферредоксин создает идеальные условия для работы катализатора.

Правда, пришлось заменить его природный кофактор на синтетический аналог.

Теперь система может получать электроны напрямую от фотосинтеза, — поясняет Итин Шэ, второй автор.

Это первый шаг к созданию искусственного фермента — простого, миниатюрного и способного работать на свету.

Исследование сокращает путь к «зеленому» водороду. Если технологию масштабировать, можно:

• Уйти от платины — дорогого и редкого катализатора;
• Упростить биореакторы — маленькие белки стабильнее сложных ферментов;
• Интегрировать с солнечными панелями — ферредоксин уже «дружит» с фотосинтезом.

Главный плюс — снижение себестоимости. Но пока это лабораторный прототип.

Отметим, что эксперимент проводился в идеальных условиях. В реальности:

• Кислород из воздуха может «убить» катализатор;
• Неясно, как долго система работает без деградации;
• Синтез кофактора остается сложным и дорогим.

Ранее ученые улучшили производство водорода.