Virusdeeltjes volgestopt met hydrogenase maken uit waterstofionen en elektronen waterstofgas (afb: Ella Marushchenko)

Afsluiting of omhulling is een van de geheimen van het leven. Die verslaat de tweede wet van de thermodynamica (ruwweg: alles tendeert naar chaos) en zorgt dat de juiste moleculen elkaar goed kunnen vinden. Dat was het idee toen onderzoekers bij de bacteriofaag P22 aanklopten om virusdeeltjes aan te maken waarin het enzym hydrogenase werd verpakt. Daarvoor moest het DNA van de bacterievreter (dat is een bacteriofaag) wel wat aangepast worden. Hydrogenase is een enzym dat uit waterstofionen en elektronen de schone brandstof waterstof maakt. Er moet nog wel wat gesleuteld worden aan het geheel, want het systeem zou nog te weinig waterstof produceren om economisch interessant te zijn.

Veel bacteriën produceren waterstof als energiebron voor hun stofwisseling. Die processen worden mogelijk gemaakt door hydrogenases. Die kunnen waterstofionen (=protonen) en elektronen omzetten in een waterstofmolecuulhet omgekeerde. Waterstof wordt al een tijdje gezien als een belangrijke vervanger van de koolstofhoudende brandstoffen (die bij verbranding het broeikasgas kooldioxide produceren). De processen om waterstof te maken zijn duur en energetisch onvoordelig (er moet meer energie in dan er ooit aan energie in de vorm van waterstof uit komt). Hydrogenases doen dat van nature bij lage temperaturen en met simpele en goedkope uitgangsstoffen. Dan, denk je, zet je toch die hydrogenases in een pot met uitgangsstoffen en laat die enzymen hun werk doen en vangt het ontstane waterstof op. Dat werkt niet. Hydrogenases moeten samenwerken om resultaat te boeken (lees: waterstof produceren). In een oplossing kunnen ze elkaar niet vinden. Bovendien hebben hydrogenases een hekel aan zuurstof of sterker gezegd: zuurstof vergiftigt een hydrogenase.
De oplossing daarvoor, waar ook het leven voor gekozen heeft: zet er een hek om heen. Scheikundige Trevor Douglas van de universiteit van Indiana, een van de onderzoekers, sloeg toen een biologieboek open bij het hoofdstuk compartimentering en zijn aandacht werd getrokken door de bacteriofaag P22, een virus dat salmonellabacteriën besmet. De faag zet de bacterie aan bolletjes te maken. De bacterie wordt ook gedwongen eiwitten te maken die de assemblage van de virusmantel begeleiden op het celmembraan van de bacterie. Een deel van dat systeem lieten de onderzoekers intact, maar ze veranderden de begeleidingseiwitten zodat ze hydrogenasemoleculen vingen. De nu gemaakte eiwitten hielpen de bolletjes assembleren waar vervolgens zo’n 100 hydrogenasemoleculen in werden opgesloten. De eiwitten waar de bolletjes uit bestonden, beschermden de hydrogenases tegen zuurstof, terwijl de enzymmoleculen elkaar daarbinnen makkelijk konden vinden om te doen waarvoor de bezoekers ze bedacht hadden. In een oplossing met protonen en moleculen met ‘loszittende’ elektronen zetten de hydrogenasebolletjes de ingrediënten netjes om in waterstof. Het resultaat was honderd keer beter dan bij eerdere pogingen behaald.
Op het moment wordt waterstof het goedkoopst gewonnen uit aardgas. De faagmethode schiet ten opzichte van die methode nog te kort. Douglas en de zijnen hebben echter ideeën om hun proces te verbeteren. Ze werken ook aan ingewikkelder systemen met verschillende typen enzymen in de bolletjes. Dat geeft ze de mogelijkheden de uitgangsstoffen te veranderen in ingewikkelder (brand)stoffen zoals methaan of ethanol (alcohol).

Bron: Science