Искусственный фотосинтез революционизирует пищевую и энергетическую промышленность

Усовершенствование процесса естественного фотосинтеза для производства новых видов топлива и увеличения объемов производства сельскохозяйственных культур стало ключевым вопросом научной разработки, профинансированной Исследовательским советом по биотехнологиям и биологическим наукам и представленной на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки. Данное исследование станет еще одним шагом на пути к созданию новых технологий аккумулирования солнечной энергии и увеличения урожайности зерновых.

Фотосинтез позволяет биологическим системам поглощать энергию солнца и использовать ее для получения пищи и энергии. Это один из важнейших биологических процессов на земле, однако он далеко не так эффективен, как мог бы быть. Во многих важных для жизни человека растениях коэффициент полезного действия при фотосинтезе составляет менее 1%, что является мощным стимулом  для научных исследований, проводимых с целью его повышения.

В связи с этим ученые из США и Великобритании начали совместную работу по воспроизведению и усовершенствованию процесса фотосинтеза с целью оптимизации технологий пищевой и энергетической промышленности.

Профессор Дуглас Келл, исполнительный директор Исследовательского совета по биотехнологиям и биологическим наукам, объясняет, почему финансирование данного проекта имеет такое значение: «Мы столкнулись с глобальными проблемами в области энергетической и продовольственной безопасности, которые должны быть решены своевременно и оперативно. Улучшение процесса фотосинтеза, протекающего в растениях, или разработка искусственного при помощи синтетической биологии могут принести ощутимую пользу».

Искусственные листья

Профессор Ричард Коджелл из Университета Глазго использует методики синтетической биологии в попытке создать искусственные листья, способные преобразовывать энергию солнца в жидкое топливо.

Профессор объясняет: «Солнце щедро отдает свое тепло, но вот использовать его затруднительно. Мы можем использовать солнечные панели для производства электричества, но оно отличается непостоянством и сложностью хранения. Мы стараемся аккумулировать энергию солнца таким образом, чтобы его можно было использовать  тогда, когда необходимо».

Исследователи надеются воссоздать химический процесс, схожий с фотосинтезом, но осуществляемый в искусственной системе. Растения поглощают солнечное тепло, концентрируют и с его помощью  расщепляют воду на водород и кислород. Кислород высвобождается, а водород используется в качестве топлива. Целью нового исследования стало воспроизведение данного процесса с помощью технологий синтетической биологии.

Коджелл добавляет: «Мы работаем над созданием аналогичной устойчивой системы, которая сможет моделировать процесс фотосинтеза в крупных масштабах. Эти искусственные листья станут солнечными коллекторами, которые будут производить топливо, а не электричество».

Искусственные системы также могут превзойти естественные по коэффициенту конверсии солнечной энергии. Разложив  процесс фотосинтеза до уровня базовых реакций, можно существенно повысить показатели преобразования.

В конечном счете, успех исследования поспособствует развитию экологически устойчивой экономики, сократив объемы углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу в результате сжигания ископаемых видов топлива.

Турбонагнетание фотосинтеза

Профессор Говард Гриффитс из Кембриджского университета  также надеется воспользоваться потенциалом фотосинтеза, сделав акцент на ферменте под названием RuBisCO (рибулозобисфосфаткарбоксилаза). Это ключевой фермент фотосинтеза, используемый растениями для связывания углекислого газа и создания энергетически насыщенных молекул – таких, как простые сахара.

Некоторые растения имеют «механизмы», действующие как турбонагнетатели, которые концентрируют углекислый газ вокруг фермента для наиболее оптимального фотосинтеза, что приводит к усилению роста и производительности. Работа профессора Гриффитса посвящена изучению этих турбонагнетателей с тем, чтобы в дальнейшем использовать их для увеличения урожайности.

Профессор объясняет: «Мы хотим улучшить рабочую производительность рибулозобисфосфаткарбоксилазы в растениях и считаем, что водоросли нам в этом помогут. Их турбонагнетатель содержится в структуре под названием водорослевый пиреноид, который может быть использован в фотосинтетических отделах зерновых. Совместив фотосинтез водорослей и злаков, можно улучшить его эффективность и, следовательно, увеличить урожайность культурных растений, предназначенных для производства продуктов питания и возобновляемого топлива».

Улавливание рассеиваемой солнечной энергии

Профессор Энн Джонс из Университета штата Аризона рассматривает другие возможности минимизации энергетических потерь.

Цианобактерии (бактерии, получающие энергию из фотосинтеза) могут поглощать гораздо больше энергии, чем используют. Исследование профессора Джонс заключается в поиске способов использования этой избыточной, растрачиваемой энергии  путем перенаправления ее в топливную ячейку.

Профессор Джонс заявляет: «Мы хотим соединить фотосинтетический аппарат одного вида бактерий с метаболическим, производящим топливо, аппаратом другой разновидности. Далее мы сможем перенаправить этот излишек энергии непосредственно на производство топлива. Таким образом, две биологические системы будут работать совместно для получения горючего из солнечной энергии».

Показательным примером может послужить электростанция, не подключенная к распределительной сети: если станция не соединена с общей системой, избыток энергии растрачивается впустую. Исследователи надеются создать связь, которая поможет преобразовать энергию для получения топлива. Эта связь может быть обеспечена с помощью волосовидных электропроводящих нитей под названием «пили». Как объясняет Энн Джонс, некоторые бактерии обладают проводящими ворсинками, которые можно использовать для передачи энергии.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.biofueldaily.com/reports/Man_made_photosynthesis_to_revolutionise_food_and_energy_production_999.html