Бионический лист.

Сбор солнечной энергии – трюк, которому растения научились более миллиарда лет назад, чтобы использовать энергию солнца для получения питательных веществ из воздуха и воды вокруг них. Этот процесс известен нам как фотосинтез.

Ученые тоже догадались, как обуздать энергию солнца, используя электричество из фотогальванических ячеек, получая водород, который затем можно применять в топливных ячейках. Вот только водороду не удалось завоевать популярность в качестве практичного топлива для автомобилей или производства энергии в мире, где правит жидкое топливо.

А теперь команда ученых, сформировавшаяся из представителей Факультета искусств и наук Университета Гарварда, Гарвардской медицинской школы и Института Уисс, занимающегося вопросами биотехники, создала систему, которая использует бактерию для преобразования энергии солнца в жидкое топливо. В их работе применяется «искусственный лист», который использует катализатор для того, чтобы солнечный свет разделял воду на водород и кислород, а затем специально созданная бактерия превращает углекислый газ и водород в жидкое топливо – изопропанол.

Результаты были опубликованы 9 февраля в журнале PNAS. Первыми соавторами выступили Джозеф Торелла, недавний выпускник факультета системной биологии Гарвардской медицинской школы, и Кристофер Гаглиарди, научный сотрудник с ученой степенью доктора с факультета химии и химической биологии Гарварда.

Памела Сильвер, профессор биохимии и системной биологии Гарвардской медицинской школы, а также автор работы, называет систему «бионическим листом», ссылаясь на «искусственный лист», изобретенный главным автором работы Даниелем Носерой, профессором энергетики в Гарвардском университете.

«Это доказательство того, что вы можете собирать солнечную энергию и сохранять ее в форме жидкого топлива», – говорит Сильвер, являющаяся одним из ключевых преподавателей Уисса. «Открытие Дэном катализатора стало мощным прорывом в этой работе, и нашей задачей было научить организмы взаимодействовать для сбора солнечной энергии. Идеальное сочетание».

Сильвер и Носера стали сотрудничать два года назад, сразу после того, как Носера пришел в Гарвард из Массачусетского технологического института. У них был общий интерес к «персонализированной энергетике», или концепту локального производства энергии в противовес действующей системе, например, централизованному производству нефти, а затем отправке топлива на заправочные станции. Локальное производство энергии идеально подойдет развивающимся странам.

«Мы не пытаемся создать супер-сложную систему», – говорит Сильвер. «Напротив, мы стремимся к простоте и легкому использованию».

Аналогичным образом, искусственный лист Носеры зависит от катализаторов из недорогих и легкодоступных материалов.

«Созданные мной катализаторы в высшей степени адаптированы и совместимы с условиями роста живых организмов, таких как бактерии», – говорит Носера.

В их новой системе, после того, как искусственный лист производит кислород и водород, водород скармливается бактерии под названием Ralstoniaeutropha. Фермент разделяет водород на протоны и электроны, затем происходит их соединение с углекислым газом для реплицирования – создания большего количества ячеек.

С опорой на ранние открытия Энтони Сински, профессора микробиологии Массачусетского технологического университета, новые соединения в бактериях метаболически спроектированы так, чтобы они могли вырабатывать изопропанол.

«Преимущество совмещения неорганического катализатора с биологией дает беспрецедентные возможности для химического синтеза, которого у вас не будет при использовании одного лишь неорганического катализатора», – говорит Брендан Колон, выпускник факультета системной биологии из лаборатории Сильвер и соавтор работы. «Основой данной работы является переход солнечной энергии в химическую, и для этого мы используем растения, но при этом мы используем беспрецедентную способность биологии для создания множества соединений».

«Аналогичные принципы могут быть использованы, чтобы производить витамины в небольших количествах», – говорит Сильвер.

Перед командой стоит важная задача по повышению бионической способности листа переводить энергию солнца в биомассу, оптимизируя катализатор и бактерию. Их целью является 5% эффективность, в то время как природная эффективность фотосинтеза по превращению солнечного света в биомассу составляет лишь 1%.

«Практически мы достигли 1% уровня конвертации солнечного света в изопропанол», – говорит Носера. «Прошло 2,6 миллиарда лет эволюции, а мы с Пэм работаем вместе полтора года и уже добились эффективности фотосинтеза».

Источник: Harvard Medical School 

Ino-News

Подписывайтесь на наш канал в Telegram