Cambiare il modo in cui la nazione genera e consuma energia è al centro di una nuova sovvenzione NSF assegnata all'Arizona State University e a Kevin Redding, professore alla Scuola di Scienze Molecolari e direttore del Centro di Bioenergia e Fotosintesi (CB&P).

L'obiettivo di Redding e del suo gruppo di ricerca è ottenere la produzione di idrogeno algale su scala industriale, un obiettivo che richiede un miglioramento rispetto alla tecnologia attuale di almeno cinque volte.

"Non vedo l'idrogeno tanto come un carburante, ma come un bene essenziale che consumiamo a un ritmo di oltre 20 milioni di tonnellate all'anno e che ora produciamo mediante la riformazione a vapore dei combustibili fossili, un processo che è ad alta intensità energetica e produce anidride carbonica, " Ha spiegato Redding. "Se potessimo sostituire anche solo una parte di quello con bioidrogeno algale che viene prodotto tramite luce e acqua, avrebbe un impatto sostanziale. Però, lo stato del giacimento di bioidrogeno non è nemmeno vicino a dove dovrebbe essere per essere commercialmente redditizio".

"Pensavamo che dovessero essere adottati alcuni approcci radicalmente diversi, quindi, la nostra pazza idea di collegare l'enzima idrogenasi direttamente al fotosistema I per deviare una grande frazione degli elettroni dalla scissione dell'acqua (mediante il fotosistema II) per produrre idrogeno molecolare."

È risaputo che piante e alghe, così come i cianobatteri, utilizzare la fotosintesi per produrre ossigeno e "carburanti, " quest'ultimo essendo sostanze ossidabili come carboidrati e idrogeno. Ci sono due complessi pigmento-proteina che orchestrano le reazioni primarie della luce nella fotosintesi ossigenata:Fotosistema I (PSI) e Fotosistema II (PSII).

Alghe (in questo caso l'alga verde unicellulare Chlamydomonas reinhardtii, o "Chlamy" in breve) possiedono un enzima chiamato idrogenasi che utilizza gli elettroni che ottiene dalla proteina ferredossina, che viene utilizzato per trasportare gli elettroni da PSI a varie destinazioni. L'alga idrogenasi viene rapidamente e irreversibilmente inattivata dall'ossigeno che viene costantemente prodotto dal PSII. Si spera che collegare l'idrogenasi direttamente al PSI mitigherà i problemi, compreso il fatto che l'idrogenasi compete poco per gli elettroni e che è inattivata dall'ossigeno.

"Utilizzando il concetto piegato di PSI-idrogenasi, Andrey Kanygin è riuscito a produrre un'alga ingegnerizzata che offre la migliore produzione di idrogeno sostenuta di qualsiasi altra alga. Lavorare con Alec Smith, un Barrett Fellow della CB&P, hanno prodotto un nuovo ceppo che ha il tasso iniziale più alto mai misurato, ma poi cade. Con questo contributo, speriamo di poter produrre un organismo con il meglio di entrambi:ritmi elevati che vengono mantenuti per lunghi periodi."

In un futuro sistema commerciale, si vorrà essere in grado di far crescere le cellule normalmente all'inizio, e poi passare a una modalità in cui la maggior parte degli elettroni viene deviata per produrre idrogeno, essenzialmente passando da un sistema di replicazione economico a una "biofabbrica" ​​in cui la luce solare guida la produzione di idrogeno utilizzando l'acqua. I sistemi proposti forniscono un modo ovvio per farlo attivando i geni che codificano per le proteine ​​PSI-idrogenasi collegate. Di conseguenza, gli elettroni saranno deviati dalla fissazione dell'anidride carbonica alla produzione di idrogeno.

Collaborazione con Israele

La sovvenzione NSF fa parte della US-Israel Binational Science Foundation (BSF). In questa disposizione, uno scienziato statunitense e uno scienziato israeliano uniscono le forze per formare un progetto congiunto. Il partner statunitense presenta una sovvenzione per il progetto congiunto alla NSF, e il partner israeliano sottopone la stessa sovvenzione all'ISF (Israel Science Foundation). Entrambe le agenzie devono accettare di finanziare il progetto per ottenere il finanziamento BSF. Prof. Iftach Yacoby dell'Università di Tel Aviv. Partner di Redding nel progetto BSF, è un giovane scienziato che ha iniziato a lavorare alla TAU circa 5 anni fa e si è concentrato su diversi modi per aumentare la produzione di bioidrogeno algale.

"Iftach sta adottando approcci molto diversi a questo problema, cosa che non vedo fare nessun altro là fuori. Alcuni dei suoi lavori sono un po' controversi, ma penso che le sue conclusioni di base siano valide. Ci parliamo a intermittenza da qualche anno, ma recentemente ci siamo resi conto che i nostri approcci e le nostre competenze sono molto complementari. È una collaborazione naturale. Stiamo già lavorando ai nostri primi due manoscritti congiunti!"

Sfruttare i talenti delle scuole locali

Redding sta anche collaborando con il Global Institute of Sustainability dell'ASU per sviluppare un modulo all'interno della Wells Fargo Regional Sustainability Teachers Academy. Stanno lavorando con Molly Cashion e Robert McGehee, i coordinatori del programma dell'Accademia.

Il team svilupperà un modulo sullo screening delle alghe con un metodo di sovrapposizione dell'agar. Formeranno insegnanti locali delle scuole medie e superiori come farlo in Accademia. Avranno bisogno solo di un forno a microonde e di un bagnomaria per eseguire il test, e i loro studenti costruiranno i loro illuminatori da una scatola di cartone usando strisce LED e batterie AA. I volontari degli studenti universitari porteranno altro materiale nelle aule e assisteranno gli insegnanti secondo necessità. Le alghe sono coltivate su piatti, ricoperta di agar misto a Rhodobacter, e ha permesso di svilupparsi durante la notte.

Gli studenti possono fotografarli il giorno successivo con la fotocamera del proprio telefono utilizzando un piccolo filtro di interferenza verde fornito dalla sovvenzione. Possono quindi trarre le proprie conclusioni sui migliori ceppi che producono idrogeno. Questo piano si basa sui concetti dell'insegnamento delle scienze di nuova generazione, in cui l'apprendimento è guidato dalla curiosità degli studenti. All'inizio verrà data solo una spiegazione sommaria ma, man mano che l'esperimento procede, gli scienziati risponderanno alle loro domande su come funzionano le cose. Gli studenti saranno incoraggiati a sperimentare condizioni diverse in modo da scoprire i migliori ceppi di alghe e come convincerli a produrre più idrogeno. In questo modo, diventano partner nella scoperta.