Att förändra hur nationen genererar och konsumerar energi är kärnan i ett nytt NSF-anslag som tilldelas Arizona State University och Kevin Redding, professor vid Institutionen för molekylära vetenskaper och föreståndare för Centrum för bioenergi och fotosyntes (CB&P).

Målet för Redding och hans forskargrupp är att få fram algväteproduktion i industriell skala, ett mål som kräver en förbättring jämfört med nuvarande teknik med minst fem gånger.

"Jag ser inte väte så mycket som ett bränsle, men som en väsentlig vara som vi konsumerar i en hastighet av över 20 miljoner ton per år – och som vi nu tillverkar genom ångreformering av fossila bränslen, en process som är energikrävande och producerar koldioxid, "Redding förklarade. "Om vi ​​kunde ersätta ens en del av det med algbioväte som tillverkas via ljus och vatten, det skulle ha en betydande inverkan. Dock, tillståndet för biovätefältet är inte ens i närheten av där det måste vara för att vara kommersiellt gångbart."

"Vi trodde att några radikalt olika tillvägagångssätt behövde tas - alltså, vår galna idé att koppla upp hydrogenasenzymet direkt till Fotosystem I för att avleda en stor del av elektronerna från vattendelning (genom Fotosystem II) för att göra molekylärt väte."

Det är allmänt känt att växter och alger, samt cyanobakterier, använda fotosyntes för att producera syre och "bränslen, " det senare är oxiderbara ämnen som kolhydrater och väte. Det finns två pigment-proteinkomplex som orkestrerar ljusets primära reaktioner i syrehaltig fotosyntes:Fotosystem I (PSI) och Fotosystem II (PSII).

Alger (i detta fall den encelliga grönalgen Chlamydomonas reinhardtii, eller "Chlamy" för kort) har ett enzym som kallas hydrogenas som använder elektroner som det får från proteinet ferredoxin, som används för att transportera elektroner från PSI till olika destinationer. Alghydrogenaset inaktiveras snabbt och irreversibelt av syre som ständigt produceras av PSII. Förhoppningen är att koppla hydraset direkt till PSI kommer att mildra problemen, inklusive det faktum att hydrogenas konkurrerar dåligt om elektroner och att det inaktiveras av syre.

"Med hjälp av kinked PSI-hydrogenas-konceptet, Andrey Kanygin har lyckats producera en konstruerad alg som ger den bästa hållbara väteproduktionen av någon alg någonsin. Arbetar med Alec Smith, en Barrett Fellow från CB&P, de har producerat en ny stam som har den högsta initialhastigheten som någonsin uppmätts, men senare tappar det. Med detta bidrag, vi kan förhoppningsvis producera en organism med det bästa av båda:höga hastigheter som upprätthålls under långa tider."

I ett framtida kommersiellt system, man vill först kunna växa cellerna normalt, och sedan byta dem till ett läge där de flesta av elektronerna avleds för att göra väte - i huvudsak går över från ett billigt replikeringssystem till en "biofabrik" där solljus driver produktion av väte med vatten. De föreslagna systemen ger ett uppenbart sätt att göra det genom att slå på generna som kodar för de länkade PSI-hydrogenasproteinerna. Följaktligen, elektroner kommer att ledas bort från koldioxidfixering till väteproduktion.

Samarbete med Israel

NSF-anslaget är en del av U.S.-Israel Binational Science Foundation (BSF). I detta arrangemang, en amerikansk vetenskapsman och israelisk vetenskapsman går samman för att bilda ett gemensamt projekt. Den amerikanska partnern lämnar in ett bidrag för det gemensamma projektet till NSF, och den israeliska partnern lämnar in samma bidrag till ISF (Israel Science Foundation). Båda byråerna måste gå med på att finansiera projektet för att få BSF-finansiering. Prof. Iftach Yacoby vid Tel Avivs universitet. Reddings partner i BSF-projektet, är en ung forskare som först började på TAU för cirka 5 år sedan och har fokuserat på olika sätt att öka algbioväteproduktionen.

"Iftach tar mycket olika inställning till detta problem, vilket jag inte ser någon annan där ute göra. En del av hans arbete är lite kontroversiellt, men jag tror att hans grundläggande slutsatser är sunda. Vi har pratat med varandra om och om igen i några år, men nyligen insåg vi att våra tillvägagångssätt och färdigheter är mycket komplementära. Det är ett naturligt partnerskap. Vi arbetar redan med våra första två gemensamma manuskript!"

Utnyttja talanger från lokala skolor

Redding samarbetar också med ASU:s Global Institute of Sustainability för att utveckla en modul inom deras Wells Fargo Regional Sustainability Teachers Academy. De arbetar med Molly Cashion och Robert McGehee, Akademins programkoordinatorer.

Teamet kommer att utveckla en modul om screening av alger med en agaröverlagringsmetod. De kommer att utbilda lokala mellan- och gymnasielärare hur man gör detta i Akademien. De behöver bara en mikrovågsugn och vattenbad för att utföra analysen, och deras elever kommer att bygga sina belysningsapparater ur en kartong med LED-remsor och AA-batterier. Studentvolontärer kommer att ta med annat material till klassrummen och hjälpa lärarna vid behov. Alger odlas på tallrikar, täckt med agar blandat med Rhodobacter, och får utvecklas över natten.

Eleverna kan avbilda dem nästa dag med sina egna telefonkameror med hjälp av ett litet grönt störningsfilter som stipendiet tillhandahåller. De kan sedan dra sina egna slutsatser om de bästa väteproducerande stammarna. Denna plan bygger på koncept från nästa generations naturvetenskapliga undervisningskoncept, där lärandet drivs av elevernas egen nyfikenhet. De kommer först bara att få en översiktlig förklaring men, allt eftersom experimentet fortskrider, forskarna kommer att svara på sina frågor om hur saker och ting fungerar. Eleverna kommer att uppmuntras att experimentera med olika förhållanden för att upptäcka de bästa algstammarna och hur man kan locka dem att göra mer väte. På det här sättet, de blir partners i upptäckten.