National Science Foundation telah memberikan hibah $ 400.000 (Nº 1706960 ) kepada Arizona State University dan Kevin Redding, profesor di Sekolah Ilmu Molekuler dan direktur Pusat Bioenergi dan Fotosintesis (CB&P) untuk mendapatkan produksi hidrogen alga skala industri — a tujuan yang membutuhkan peningkatan dari teknologi saat ini setidaknya lima kali lipat.
Hibah NSF adalah bagian dari pekerjaan pendanaan US-Israel Binational Science Foundation (BSF). Proyek BSF menyatukan ilmuwan AS dan ilmuwan Israel untuk membentuk proyek bersama. Mitra AS mengajukan hibah pada proyek bersama ke NSF, dan mitra Israel menyerahkan hibah yang sama ke ISF (Israel Science Foundation).
Kedua lembaga harus setuju mendanai proyek untuk mendapatkan dana BSF. Prof. Iftach Yacoby dari Universitas Tel Aviv. Mitra Redding dalam proyek BSF, adalah seorang ilmuwan muda yang pertama kali memulai di TAU sekitar 5 tahun yang lalu dan telah berfokus pada berbagai cara untuk meningkatkan produksi biohidrogen alga.
Dua tantangan utama membatasi efisien biologis H 2 produksi: inaktivasi enzim hydrogenase oleh O 2 ; dan aliran elektron terbatas dari peralatan fotosintesis ke hidrogenase.
Untuk mengatasi tantangan pertama, hipotesis bahwa enzim dapat dilindungi oleh lingkungan mikro-oksik lokal yang dibuat oleh terdekat O 2 serapan mekanisme. Beberapa cara yang saling melengkapi untuk mengurangi O 2 di sekitar hydrogenase yang akan ditempuh termasuk penggunaan protein chimeric di mana hydrogenase yang bergabung dengan protein mitra mampu mengurangi O 2 spesies atau oksigen reaktif (misalnya glukosa oksidase, protein flavodiiron). Chimera ini pertama-tama akan diuji secara in vitro dan kemudian yang paling menjanjikan akan diekspresikan secara in vivo.
Tes molekuler dan spektroskopi yang cepat akan digunakan untuk mengidentifikasi keterbatasan produksi hidrogen yang digerakkan cahaya pada strain yang direkayasa. Beberapa modifikasi genetik akan digunakan untuk memperbaiki keterbatasan yang diidentifikasi dalam aliran elektron atau H 2 kegiatan produksi.
Seperangkat keahlian pelengkap dalam dua kelompok penelitian di AS dan Israel akan digunakan dalam pembuatan, analisis, dan optimalisasi sel alga yang direkayasa. Bersama-sama kedua kelompok akan menentukan cara optimal untuk mengatur berbagai komponen baru untuk membuat produksi bio-hidrogen tingkat tinggi yang berkelanjutan menjadi kenyataan.
Saya tidak memandang hidrogen sebagai bahan bakar, tetapi sebagai komoditas penting yang kita konsumsi dengan kecepatan lebih dari 20 juta metrik ton per tahun — dan yang sekarang kita buat dengan reformasi uap bahan bakar fosil, sebuah proses yang intensif energi dan menghasilkan karbon dioksida. Jika kita dapat mengganti bahkan sebagian dari itu dengan biohidrogen alga yang dibuat melalui cahaya dan air, itu akan memiliki dampak yang besar. Namun, keadaan ladang biohidrogen bahkan tidak dekat dengan yang dibutuhkan agar dapat layak secara komersial.
Kami berpikir bahwa beberapa pendekatan yang sangat berbeda perlu diambil – dengan demikian, ide gila kami untuk menghubungkan enzim hidrogenase langsung ke Fotosistem I untuk mengalihkan sebagian besar elektron dari pemisahan air (oleh Fotosistem II) untuk membuat molekul hidrogen.
—Kevin Redding
Tumbuhan dan alga, serta cyanobacteria, menggunakan fotosintesis untuk menghasilkan oksigen dan “bahan bakar”, yang terakhir adalah zat yang dapat teroksidasi seperti karbohidrat dan hidrogen. Ada dua kompleks pigmen-protein yang mengatur reaksi utama cahaya dalam fotosintesis oksigen: Fotosistem I (PSI) dan Fotosistem II (PSII).
Alga (dalam hal ini ganggang hijau bersel tunggal Chlamydomonas reinhardtii , atau disingkat ‘Chlamy’) memiliki enzim yang disebut hidrogenase yang menggunakan elektron yang didapatnya dari protein ferredoxin, yang digunakan untuk mengangkut elektron dari PSI ke berbagai tujuan. Alga hidrogenase dengan cepat dan permanen dinonaktifkan oleh oksigen yang secara konstan diproduksi oleh PSII. Diharapkan bahwa menghubungkan hidrogenase secara langsung ke PSI akan mengurangi masalah, termasuk fakta bahwa hidrogenase bersaing dengan buruk untuk elektron dan tidak diaktifkan oleh oksigen.
Dalam sistem komersial masa depan, seseorang akan ingin dapat menumbuhkan sel secara normal pada awalnya, dan kemudian mengubahnya ke mode di mana sebagian besar elektron dialihkan untuk membuat hidrogen – pada dasarnya menyeberang dari sistem replikasi murah ke ” biofactory ”di mana sinar matahari mendorong produksi hidrogen menggunakan air. Sistem yang diusulkan memberikan cara yang jelas untuk melakukannya dengan mengaktifkan gen yang mengkode protein PSI-hidrogenase yang terkait. Akibatnya, elektron akan dialihkan dari fiksasi karbon dioksida ke produksi hidrogen.
Iftach mengambil pendekatan yang sangat berbeda untuk masalah ini, yang saya lihat tidak ada orang lain yang melakukannya. Beberapa karyanya agak kontroversial, tapi menurut saya kesimpulan dasarnya masuk akal. Kami telah berbicara satu sama lain selama beberapa tahun, tetapi baru-baru ini kami menyadari bahwa pendekatan dan keterampilan kami sangat saling melengkapi. Ini adalah kemitraan alami. Kami sedang mengerjakan dua naskah gabungan pertama kami!
—Kevin Redding
Redding juga bermitra dengan Institut Global Keberlanjutan ASU untuk mengembangkan modul dalam Akademi Guru Keberlanjutan Regional Wells Fargo mereka. Mereka bekerja dengan Molly Cashion dan Robert McGehee, Koordinator Program Akademi.
Tim akan mengembangkan modul penyaringan alga dengan metode overlay agar. Mereka akan melatih guru sekolah menengah dan atas setempat bagaimana melakukan ini di Akademi. Mereka hanya memerlukan oven microwave dan penangas air untuk melakukan pengujian, dan siswa mereka akan membangun iluminator dari kotak karton menggunakan strip LED dan baterai AA. Relawan mahasiswa sarjana akan membawa materi lain ke ruang kelas dan membantu guru sesuai kebutuhan. Alga ditanam di atas piring, ditutup dengan agar-agar yang dicampur dengan Rhodobacter , dan dibiarkan berkembang semalaman.
Para siswa dapat memotret mereka keesokan harinya dengan kamera ponsel mereka sendiri menggunakan filter interferensi hijau kecil yang disediakan oleh hibah. Mereka kemudian dapat menarik kesimpulan sendiri tentang galur penghasil hidrogen terbaik. Rencana ini didasarkan pada konsep-konsep dari konsep pengajaran sains generasi mendatang, di mana pembelajaran didorong oleh keingintahuan siswa itu sendiri.
Mereka hanya akan diberi penjelasan sepintas lalu, tetapi saat percobaan berlangsung, para ilmuwan akan menjawab pertanyaan mereka tentang bagaimana segala sesuatunya bekerja. Para siswa akan didorong untuk bereksperimen dengan kondisi yang berbeda untuk menemukan strain alga terbaik dan bagaimana membujuk mereka.
