Forskare vid Indiana University har skapat ett mycket effektivt biomaterial som katalyserar bildningen av väte - hälften av den "heliga gralen" för att klyva H2O för att göra väte och syre för att driva billiga och effektiva bilar som körs på vatten.

Ett modifierat enzym som vinner styrka från att skyddas i proteinskalet - eller "kapsiden" - hos ett bakterievirus, detta nya material är 150 gånger effektivare än den oförändrade formen av enzymet.

Processen att skapa materialet rapporterades nyligen i "Self-assembling biomolecular catalysts for hydrogen production" i tidskriften Naturkemi .

"Väsentligen, vi har tagit ett viruss förmåga att själv sätta ihop otaliga genetiska byggstenar och införlivat ett mycket ömtåligt och känsligt enzym med den anmärkningsvärda egenskapen att ta in protoner och spotta ut vätgas, sa Trevor Douglas, Earl Bough professor i kemi vid IU Bloomington College of Arts and Sciences Department of Chemistry, som ledde studien. "Slutresultatet är en virusliknande partikel som beter sig på samma sätt som ett mycket sofistikerat material som katalyserar produktionen av väte."

Andra IU-forskare som bidrog till forskningen var Megan C. Thielges, en biträdande professor i kemi; Ethan J. Edwards, en Ph.D. studerande; och Paul C. Jordan, en postdoktor vid Alios BioPharma, som var en IU Ph.D. student vid tidpunkten för studien.

Det genetiska materialet som används för att skapa enzymet, hydrogenas, produceras av två gener från den vanliga bakterien Escherichia coli, sätts in i den skyddande kapsiden med metoder som tidigare utvecklats av dessa IU-forskare. Generna, hyaA och hyaB, är två gener i E. coli som kodar för nyckelsubenheter av hydrogenasenzymet. Kapsiden kommer från det bakteriella viruset som kallas bakteriofag P22.

Det resulterande biomaterialet, kallas "P22-Hyd, " är inte bara effektivare än det oförändrade enzymet utan produceras också genom en enkel fermenteringsprocess vid rumstemperatur.

Materialet är potentiellt mycket billigare och mer miljövänligt att producera än andra material som för närvarande används för att skapa bränsleceller. Den kostsamma och sällsynta metallen platina, till exempel, används vanligtvis för att katalysera väte som bränsle i produkter som avancerade konceptbilar.

"Detta material är jämförbart med platina, förutom att det verkligen är förnybart, " sa Douglas. "Du behöver inte bryta det; du kan skapa den vid rumstemperatur i stor skala med jäsningsteknik; det är biologiskt nedbrytbart. Det är en väldigt grön process att göra ett mycket högkvalitativt hållbart material."

Dessutom, P22-Hyd bryter både vattnets kemiska bindningar för att skapa väte och fungerar även omvänt för att rekombinera väte och syre för att generera kraft. "Reaktionen går åt båda hållen - den kan användas antingen som en väteproduktionskatalysator eller som en bränslecellskatalysator, " sa Douglas.

Formen av hydrogenas är en av tre som förekommer i naturen:di-järn (FeFe)-, endast järn (endast Fe)- och nickel-järn (NiFe)-hydrogenas. Den tredje formen valdes för det nya materialet på grund av dess förmåga att lätt integreras i biomaterial och tolerera exponering för syre.

NiFe-hydrogenas får också betydligt större motståndskraft vid inkapsling mot nedbrytning från kemikalier i miljön, och det bibehåller förmågan att katalysera vid rumstemperatur. Oförändrat NiFe-hydrogenas, däremot är mycket känsligt för förstörelse från kemikalier i miljön och bryts ner vid temperaturer över rumstemperatur, vilket båda gör det oskyddade enzymet till ett dåligt val för användning i tillverkning och kommersiella produkter som bilar.

Dessa känsligheter är "några av de viktigaste anledningarna till att enzymer inte tidigare har levt upp till sitt löfte inom teknik, ", sa Douglas. En annan är deras svårighet att producera.

"Ingen har någonsin haft ett sätt att skapa en tillräckligt stor mängd av detta hydrogenas trots dess otroliga potential för biobränsleproduktion. Men nu har vi en metod för att stabilisera och producera stora mängder av materialet - och enorma effektivitetsökningar, " han sa.

Utvecklingen är mycket betydelsefull enligt Seung-Wuk Lee, professor i bioteknik vid University of California-Berkeley, som inte var en del av studien.

"Douglas grupp har lett utvecklingen av protein- eller virusbaserad nanomaterial under de senaste två decennierna. Detta är ett nytt banbrytande arbete för att producera gröna och rena bränslen för att tackla det verkliga energiproblem som vi står inför idag och få en omedelbar inverkan i vårt liv inom en snar framtid, sa Lee, vars arbete har citerats i en amerikansk kongressrapport om användningen av virus i tillverkningen.

Utöver den nya studien, Douglas och hans kollegor fortsätter att skapa P22-Hyd till en idealisk ingrediens för vätekraft genom att undersöka sätt att aktivera en katalytisk reaktion med solljus, till skillnad från att införa val med hjälp av laboratoriemetoder.

"Att införliva detta material i ett solcellsdrivet system är nästa steg, " sa Douglas.