Как и зачем развиваются технологии искусственного фотосинтеза.
О природных праноедах и о том, почему хлорофилл эффективнее Акинфеева, мы рассказали ранее. Сегодня же, в продолжении обзора расскажем о бактериях-хиппи и бактериях в доспехах, псевдокубах, искусственных листьях и деревьях, гонках растений и ученых, биологии как величайшем в мире химике и о фотосинтезе как он есть.
Бактерии уходят в леса
Чтобы повысить скорость разложения воды на водород и кислород, ученые из Калифорнии в 2015 году предложили увеличить площадь поверхности анода, положительно заряженного полюса, притягивающего анионы — отрицательно заряженные частицы. Анод сделали из кремниевых проводов, значительно увеличив его поверхность.
А что делать с катодом, на котором должны сидеть бактерии, к тому же еще и облигатные анаэробы (это значит, что они обязательно должны расти в среде без кислорода, который разрушает их)?
Бактериям, по мнению американских ученых, следовало уйти в леса. Эти леса специально для них создали из оксида титана (TiO₂). Бактерии Sporomusa ovata размещались на частоколе из наностержней, используя изобилие поступающих к ним электронов для переработки углекислого газа (СO₂) в ацетат. Такие «леса» не только защищали бактерий от кислорода и одиночества (ведь там они могли бурно размножаться), но и помогали им фиксировать углекислый газ.
Так как ацетат не особенно ценен как топливо, «на подхвате» у таких экстравагантных хиппи-фиксаторов должны быть привычные и знакомые всем кишечные палочки, которые переводят ацетат в другие органические вещества, которые можно использовать как топливо. Больше всего E.coli производит полигидроксилбутирата, и КПД этого процесса целых 50%. Правда, плохая новость состоит в том, что КПД работы ее напарницы, Sporomusa ovata, составляет всего 0,4% (и ее даже не в чем упрекнуть — это лишь в 10 раз меньше, чем КПД среднего растения — картофеля, пшеницы или риса). Подсчитать КПД всей системы посредством нехитрого арифметического действия несложно: всего 0,2%.
Доспехи полубога
Бактерия Moorella thermoacetica способна питаться и гетеротрофно (готовыми органическими веществами), и хемоавтотрофно (вырабатывая органику самостоятельно), и даже «есть» электроны, живя прямо на электродах. Эта бактерия производит много ацетата, о котором мы уже говорили выше. Ее ахиллесова пята заключается в том, что живет она в подземных недрах и, как вампир из фэнтези, погибает от воздействия солнечного света.
Древнегреческий мифологический герой Ахиллес при всей своей силе и ловкости не мог сразиться с Гектором и отомстить за своего друга Патрокла без боевого облачения, пока пока его мать Фетида не принесла ему новые чудесные доспехи, выкованные Гефестом, богом кузнечного дела. Так чего же вы ожидаете от бедной бактерии? Чтобы моореллы не побоялись выйти на свет и вступить в бой с потерями энергии, им тоже требовалась надежная защита.
Ученые из Калифорнийского университета нашли изящное решение, основанное на способности бактерии покрываться частицами различных минералов: добавили к культуре бактерий нитрат кадмия и сульфид цинка. И действительно, в присутствии аминокислоты цистеина Moorella thermoacetica не устояла перед искушением «примерить» сияющие нанодоспехи из сульфида кадмия, которые стали ее защитой от солнца и подарили ей способность фотосинтезировать безо всяких сложных белков и хлоропластов, которыми обзаводятся для этой цели растения.
В отличие от них Moorella thermoacetica фиксирует СО₂, перерабатывая его в органику не через цикл Кальвина (серия реакций темновой фазы фотосинтеза в хлоропластах растений и у некоторых бактерий, в результате которой углекислый газ превращается в глюкозу), а через более примитивный путь Вуда — Льюнгдаля. Он характеризуется использованием кофермента ацетил-КоА и выработкой большого количества ацетата как побочного продукта (примерно 90% против 10% биомассы), никак не используемого бактерией.
Бактерии в оболочке из сульфида кадмия, по сравнению с ферментами, обладают рядом преимуществ: они не ломаются, а увеличиваются в числе, сами себя очищают и сами надевают волшебные доспехи, если в окружающей среде хватает цистеина.
Догнать и перегнать зелень
Еще один способ увеличения эффективности фотосинтеза — объединение солнечных ячеек с электролизером, который будет сам разлагать воду на OH⁻ и H⁺. В сентябре были собраны «искусственные деревья» — самоподдерживающиеся системы из доступных недорогих материалов, состоящие из «искусственных листьев» размером с ноготь каждый. Эти «листья» соединены не неуклюжими проводами, а с помощью лазера в гибкую систему, приспособленную улавливать солнечные лучи, как мозаика листьев кроны деревьев. Общая площадь поверхности этих «листьев» составила 64 см². Авторы сообщают, что, хотя эффективность их установки всего 3,9%, целью работы было продемонстрировать, что метод работает. Химики планируют довести ее до 14%, улучшив технологию или используя редкий минерал перовскит (CaTiO₃), образующий кристаллы псевдокубической формы.
Однако самой большой победой искусственного фотосинтеза стал появившийся летом 2016 года Bionic leaf 2.0 — созданное химиками из Гарвардского университета устройство с двумя слоями катализатора, между которыми находится солнечная панель. Нижняя половина листа — ячейка с бактериями Ralstonia eutropha. Ток от солнечных батарей помогает катализатору расщеплять воду, а получившийся водород используют бактерии для производства органики, присоединяя к нему углерод из углекислого газа воздуха. Таким путем уже удалось получить изобутанол, изопентанол и полигидроксилбутират. На производство 60 граммов спирта один лист тратит всего один киловатт-час. Повысить производительность всей системы до такого уровня помогли новые катализаторы на основе кобальта и фосфора, которые не производили активных форм кислорода, разрушающих ДНК бактерий. Эффективность такого фотосинтеза составляет целых 10%, что в десять раз больше, чем у многих настоящих растений.
«Красота биологии в том, что она — величайший в мире химик, способный проводить химические реакции, которые нам нелегко повторить», — восхищается соавтор работы Памела Сильвер с факультета системной биологии Гарвардской медицинской школы.
Поэтому неудивительно, что сами растения не сдаются так просто: они тоже подключились к гонке, пользуясь увеличением содержания CO₂ в атмосфере. Так, уже в октябре этого года ученые из Университета Эксетера опубликовали в Nature работу, где рассчитали, что при удвоении содержания в атмосфере углекислого газа фотосинтез усиливается на треть. К такому выводу они пришли после изучения колебаний годовых циклов содержания углекислого газа в атмосфере на Гавайях и на Аляске. Так что следить за тем, кто победит в этой гонке, становится все интереснее.
Автор: Екатерина Мищенко