Sciencemag.cz
Doporučujeme
Podařilo se vyrábět vodík a přitom zachovat i fixaci oxidu uhličitého, kterou fotoautotrofní buňka potřebuje sama.
Sluneční energii lze zachycovat a převádět na další formy různě. Můžeme takto získat elektrický proud, rozkládat vodu na vodík a kyslík nebo syntetizovat na energii bohaté organické látky. Jednotlivé přeměny se samozřejmě různě kombinují, na začátku fotosyntézy stojí fotolýza vody, proud generovaný solárním článek lze využít k elektrolýze vody atd.
Vědci nyní zkusili fotosyntetický aparát přizpůsobit tak, aby vytvářel vodík. Nakonec elektrolýza začíná rozkladem vody, nicméně vodíkové ionty jsou pak použity k redukci oxidu uhličitého. Do základního mechanismu (fotosystém I) dokázali technologové již dříve přidat různé hydrogenázy, tedy enzymy katalyzující redukci vodíkových iontů (protonů) na vodík. Problém však dosud spočíval v tom, že takové uspořádání se podařilo zprovoznit jen mimo živé buňky (in vitro). Takový systém časem selže, proteiny jako základ enzymů se rozpadnou apod. Naopak živé buňky se o sebe ideálně dokáží stabilně starat samy, tj. v zajistí si replikaci a opravu/údržbu. Takový systém pro trvalou výrobu vodíku (in vivo) by byl v řadě ohledů výhodnější, robustnější, umožňoval provádět proces ve velkém měřítku.
Na univerzitě v německém Kielu přišli nyní s technikou, která konečně umožňuje zfúzovat hydrogenázy a fotosystém I i v živých buňkách sinic Synechocystis sp. PCC 6803. Kirstin Gutekunst, která práci vedla, uvádí, že buňky provádějící fotosyntézu se této změně přirozeně brání – potřebují elektrony z fotosystému I k fixaci oxidu uhličitého, takže je nechtějí poskytnout do vedlejší reakce k výrobě vodíku. Významnou roli při přenosu elektronů jak pro fixaci CO2, tak pro výrobu vodíku, představují malé proteiny obsahující železo a síru (ferredoxiny). Klíčové pro výsledné uspořádání se ukázala volba vzdálenosti mezi FeS klastry fotosystému I a hydrogenázy. Nakonec se tak podařilo vyrábět vodík a přitom zachovat i fixaci oxidu uhličitého, kterou fotoautotrofní buňka samozřejmě potřebuje k tomu, aby si mohla vytvářet svou vlastní organickou hmotu. Proud elektronů se de facto dělí, vodík vyrábíme na úkor toho, že zpomaluje růst buňky (stejně chceme, aby množství buněčné hmoty bylo jen stabilní).
Výsledná mutantní sinice psaD-hoxYH funguje stále anaerobně (kyslík se ale zbylou „normální“ fotosyntézou vytváří) a fotoautotrofně. Bude ještě potřeba provést řadu vylepšení, než (pokud) by se tyto sinice mohly používat průmyslově. V první řadě by se podobná úprava měla provést i s fotosystémem II (ten využívá oproti fotosystému I světlo o kratších vlnových délkách, tj. fotony nesoucí více energie). Elektrony použité pro výrobu vodíku by také měly pocházet výhradně z klasické fotosyntézy/fotolýzy vody, ne třeba z rozkladu glukózy. Problém je v tom, že hydrogenáza je citlivá na kyslík, který současně ve zbylé fotosyntéze vzniká, takže hrozí, že enzym se otráví. To lze řešit na úrovní uspořádání celého systému nebo i uvažovat o použití jiné hydrogenázy (existují i takové, které kyslík tolerují).
Navíc je otázka, jak vyjde účinnost převodu energie ve srovnání s jinými postupy výroby vodíku (např. solární článek + elektrolýza vody, přímo fotolýza vody apod.).
Jens Appel et al. Cyanobacterial in vivo solar hydrogen production using a photosystem I–hydrogenase (PsaD-HoxYH) fusion complex, Nature Energy (2020). DOI: 10.1038/s41560-020-0609-6
Současně se nicméně podobný projekt (spojení fotosystému I a hydrogenázy) podařil i u zelené řasy Chlamydomonas reinhardtii.
Andrey Kanygin et al, Rewiring photosynthesis: a photosystem I-hydrogenase chimera that makes H2 in vivo, Energy & Environmental Science (2020). DOI: 10.1039/C9EE03859K
Zdroj: Arizona State University, Nature Energy/TechXplore.com a další
Poznámka PH: Jak to celé přesně funguje? Může se taková funkčnost přenést do další generace při dělení buňky? Pokud ne, dvakrát stabilní by taková výroba stejně nebyla, navíc těžko provádět fúzi hydrogenázy buňku po buňce?
