Um novo estudo revela o papel do gás hidrogénio como fonte de energia no alvorecer da vida, sublinhando o seu potencial como combustível sustentável. Ao examinar os processos naturais nas fontes hidrotermais e os primeiros mecanismos celulares para aproveitar o hidrogénio, os investigadores obtiveram conhecimentos sobre as origens da vida e a antiga utilização do hidrogénio como fonte de energia. Esta investigação não só ilumina o significado histórico do hidrogénio, mas também o seu papel futuro na energia sustentável.
O gás hidrogénio, apelidado de energia do futuro, fornece energia desde há 4 mil milhões de anos.
Um estudo recente revela como o gás hidrogénio, muitas vezes apontado como a fonte de energia de amanhã, forneceu energia no passado, na origem da vida há 4 mil milhões de anos. O gás hidrogênio é um combustível limpo. Ele queima com oxigênio no ar para fornecer energia sem CO2.
O hidrogénio é a chave para a energia sustentável para o futuro. Embora os humanos só agora estejam percebendo os benefícios do gás hidrogênio (H2 em abreviatura química), os micróbios sabem que H2 é um bom combustível desde que exista vida na Terra. O hidrogênio é uma energia antiga.
As primeiras células da Terra viveram de H2 produzido em fontes hidrotermais, usando a reação de H2 com CO2 para formar as moléculas da vida. Micróbios que prosperam a partir da reação do H2 e companhia2 podem viver na escuridão total, habitando habitats primordiais e assustadores, como fontes hidrotermais profundas ou formações rochosas quentes nas profundezas da crosta terrestre, ambientes onde muitos cientistas pensam que a própria vida surgiu.
Descoberta do papel do hidrogênio na colheita inicial de energia celular
Novos insights surpreendentes sobre como as primeiras células da Terra aproveitaram o H2 como fonte de energia são agora relatados em PNAS. O novo estudo vem da equipe de William F. Martin da Universidade de Düsseldorf e Martina Preiner do Instituto Max Planck (MPI) de Microbiologia Terrestre em Marburg, com o apoio de colaboradores na Alemanha e na Ásia.
Para coletar energia, as células primeiro precisam empurrar os elétrons do H2 energeticamente para cima. “Isso é como pedir a um rio que flua para cima em vez de para baixo, então as células precisam de soluções de engenharia”, explica um dos três primeiros autores do estudo, Max Brabender.
Imagem da formação Sulis no campo hidrotérmico de Lost City, uma fonte hidrotermal alcalina que produz hidrogênio. Crédito: Cortesia de Susan Lang, Universidade da Carolina do Sul /NSF/ROV Jason 2018 © Woods Hole Oceanographic Institution
A forma como as células resolvem esse problema foi descoberta há apenas 15 anos por Wolfgang Buckel juntamente com o seu colega Rolf Thauer em Marburg. Eles descobriram que as células enviam os dois elétrons do hidrogênio por caminhos diferentes. Um elétron vai muito para baixo, tão para baixo que põe em movimento algo como uma polia (ou um sifão) que pode puxar energeticamente o outro elétron para cima. Este processo é chamado de bifurcação de elétrons.
Os mecanismos de bifurcação eletrônica e o quebra-cabeça evolutivo inicial
Nas células, são necessárias várias enzimas que enviam os elétrons colina acima, até um antigo e essencial transportador de elétrons biológico chamado ferredoxina. O novo estudo mostra que em pH 8,5, típico de respiradouros naturalmente alcalinos, “nenhuma proteína é necessária”, explica Buckel, coautor do estudo, “a ligação H-H do H2 se divide na superfície do ferro, gerando prótons que são consumidos pela água alcalina e elétrons que são facilmente transferidos diretamente para a ferredoxina.”
Como uma reação energeticamente ascendente poderia ter funcionado no início da evolução, antes de existirem enzimas ou células, tem sido um quebra-cabeça muito difícil. “Várias teorias diferentes propuseram como o ambiente pode ter empurrado os elétrons energeticamente para cima, em direção à ferredoxina, antes da origem da bifurcação dos elétrons”, diz Martin, “identificamos um processo que não poderia ser mais simples e que funciona nas condições naturais das fontes hidrotermais”. .
Desde a descoberta da bifurcação eletrônica, os cientistas descobriram que o processo é antigo e absolutamente essencial nos micróbios que vivem do H2. O problema incômodo para químicos com mentalidade evolucionista como Martina Preiner, cuja equipe em Marburg se concentra no impacto do meio ambiente nas reações que os micróbios usam hoje e possivelmente usadas na origem da vida, é: como foi o H2 aproveitado para CO2 consertar caminhos antes que houvesse proteínas complicadas?
“Os metais fornecem respostas”, diz ela, “no início da vida, os metais sob condições ambientais antigas podem enviar os elétrons do H2 morro acima, e podemos ver vestígios dessa química primordial preservados na biologia das células modernas.” Mas os metais por si só não são suficientes. “H2 também precisa ser produzido pelo meio ambiente”, acrescenta a coautora Delfina Pereira, do laboratório de Preiner. Tais ambientes são encontrados em fontes hidrotermais, onde a água interage com rochas contendo ferro para produzir H2, e onde os micróbios ainda vivem hoje a partir desse hidrogénio como fonte de energia.
O surpreendente papel do hidrogênio na formação do ferro metálico
As fontes hidrotermais, modernas e antigas, geram H2 em quantidades tão grandes que o gás pode transformar minerais contendo ferro em ferro metálico brilhante.
“Que o hidrogénio pode produzir ferro metálico a partir de minerais não é segredo”, afirma Harun Tüysüz, especialista em materiais de alta tecnologia no Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Mülheim e co-autor do estudo. “Muitos processos na indústria química utilizam H2 para transformar metais em minerais durante a reação.” A surpresa é que a natureza também faz isso, especialmente nas fontes hidrotermais, e que este ferro depositado naturalmente pode ter desempenhado um papel crucial na origem da vida.
O ferro foi o único metal identificado no novo estudo que foi capaz de enviar os elétrons em H2 subindo até a ferredoxina. Mas a reação só funciona em condições alcalinas, como as de certos tipos de fontes hidrotermais.
Natalia Mrnjavac, do grupo de Düsseldorf e coautora do estudo, salienta: “Isto enquadra-se bem na teoria de que a vida surgiu em tais ambientes. O mais emocionante é que tais reações químicas simples podem preencher uma lacuna importante na compreensão do complexo processo das origens, e que podemos ver essas reações funcionando hoje nas condições das antigas fontes hidrotermais em laboratório.”
Referência: “Redução de ferredoxina por hidrogênio com funções de ferro como um precursor evolutivo da bifurcação de elétrons à base de flavina” por Max Brabender, Delfina P. Henriques Pereira, Natalia Mrnjavac, Manon Laura Schlikker, Zen-Ichiro Kimura, Jeerus Sucharitakul, Karl Kleinermanns, Harun Tüysüz, Wolfgang Buckel, Martina Preiner e William F. Martin, 21 de março de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2318969121
