luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

Искусственный или ускоренный фотосинтез: как можно улучшить важнейшую реакцию биосферы



Преобразование солнечного света в альтернативные формы энергии могло бы решить проблему потребления невозобновляемых ресурсов топлива. Можно ли увеличить урожайность, биомассу и избавиться от продовольственного кризиса таким способом?

Как происходит реакция фотосинтеза

Суть фотосинтеза в том, что энергия видимого света превращается в энергию химических связей органических веществ.

Иначе говоря, с помощью энергии света организм отрывает электроны от молекулы и переносит их на молекулы углекислого газа, восстанавливая и превращая в молекулы органического вещества, которое потом можно будет опять окислить, получив энергию.

Вся система реакций фотосинтеза растений в одной схеме: 6СО2 + 6H2O = глюкоза (С6H12О6) + 6О2.

Одна из ключевых стадий этого сложного и многоступенчатого процесса — связывание углекислого газа. При этом углекислый газ присоединяется к соединению, называемому рибулоза(1,5)бифосфат, — это сахар с двумя фосфатными группами.

А направляет эту реакцию фермент — рибулозобисфосфаткарбоксилаза, или рубиско (RuBisCO).

RuBisCO — это фермент, который представляет собой абсолютно комплекс из 16 сразу белковых цепей. Большинство ферментов катализирует тысячи химических превращений каждую секунду.

Однако рубиско обрабатывает всего от 3 до 10 молекул углекислого газа в зависимости от условий. Такое низкое качество работы фермента можно компенсировать лишь его количеством: по массе на него приходится до 30% всех водорастворимых белков растений, что делает его самым распространенным белком на планете.


Хлоропласты в клетках листа

Виды фотосинтеза

У живых организмов есть два типа пигментов, способных выполнять функцию фотосинтетических приемников (антенн).

У подавляющего большинства организмов роль антенн играют хлорофиллы; менее распространен случай, при котором в качестве антенны служит производное витамина А ретиналь. В соответствии с этим выделяют хлорофилльный и бесхлорофилльный фотосинтез.

  • Бесхлорофилльный фотосинтез


  • Система бесхлорофилльного фотосинтеза отличается значительной простотой организации, в связи с чем предполагается эволюционно первичным механизмом запасания энергии электромагнитного излучения. Эффективность бесхлорофилльного фотосинтеза как механизма преобразования энергии сравнительно низка (на один поглощенный квант переносится лишь один H+).

  • Хлорофилльный фотосинтез


  • Хлорофилльный фотосинтез отличается от бактериородопсинового значительно большей эффективностью запасания энергии. На каждый эффективно поглощенный квант излучения против градиента переносится не менее одного H+.

    Аноксигенный

    Аноксигенный (или бескислородный) фотосинтез протекает без выделения кислорода. К аноксигенному фотосинтезу способны пурпурные и зеленые бактерии, а также гелиобактерии.

    Оксигенный

    Оксигенный, или кислородный фотосинтез сопровождается выделением кислорода в качестве побочного продукта. При оксигенном фотосинтезе осуществляется нециклический электронный транспорт, хотя при определенных физиологических условиях осуществляется исключительно циклический электронный транспорт. В качестве донора электронов при нециклическом потоке используется крайне слабый донор электронов — вода.

    Проблема голода в сельском хозяйстве

    Население Земли, несмотря на второй демографический переход, постоянно растет. Если бы мы могли по своему желанию увеличивать плодородность соразмерно росту населения, большой проблемы бы не было.

    Однако сегодня человек освоил где-то треть пригодных для сельского хозяйства земель. Практически все пригодные для этого территории Южной Азии, на Ближнем Востоке и Северной Америке уже распаханы, а освоение оставшихся районов грозит нам эрозией.

    Место на планете может просто закончиться, поэтому нужно находить новые способы увеличивать производство продуктов. Это ранее уже удавалось сделать.

    Последний раз это произошло благодаря «зеленой революции» 50-70-х годов прошлого века. Тогда выведение новых высокоурожайных сортов злаков, внедрение пестицидов и продвинутых систем ирригации позволило резко — почти в два раза — увеличить урожайность.

    Как ускорить фотосинтез

    Краеугольный камень этой проблемы — рубиско, фермент, о котором мы уже говорили.

    Однако это оказалось не так легко. Направленный мутагенез отдельных аминокислотных остатков не привел к каким-либо заметным результатам.

    Также к нему применяли метод прямой эволюции ферментов: в нем методом внесения случайных мутаций создается огромная коллекция генных вариантов рубиско. Все это разнообразие применили на кишечной палочке — Escherichia coli. При использовании такого подхода исследователям удалось увеличить активность рубиско цианобактерий, отлично работающей в клетках кишечной палочки.

    Но аналогичный метод не работал с растениями. Кроме того, фермент собирается из деталей двух разных «производителей»: гены, кодирующие цепи рубиско, находятся не только в ядре клеток, но и в геноме хлоропластов, что усложняет манипуляции с ними. Исследователям приходится работать сразу с двумя геномами, применяя разные техники генной модификации.

    Но на этом ученые не сдались. Они придумали новую идею: увеличить количество рубиско, так как листья растений буквально заполнены им. Для этого авторы использовали ГМО-методы. Однако одной лишь сверхэкспрессии генов рубиско не хватало — для сборки фермента необходимо что-то еще.

    За прошедшие годы выяснилось, что в сборке рубиско принимают участие сразу несколько белков-укладчиков — RAF1 и RAF2 (RuBisCO Assembly Factor). Подобные белки (их называют шапероны), как правило, стабилизируют цепь собираемого белка во время сборки, давая ему время свернуться правильным образом.

    В этом и была проблема предыдущих работ: гены рубиско действительно активно синтезировали белковые «кирпичики» фермента, но нехватка шаперонов не позволяла собирать достаточное количество рубиско из полипептидных цепей-полуфабрикатов. Количество шаперонов тоже нужно было увеличивать.

    Поэтому авторы учли эти условия, и в результате общее содержание рубиско в листьях трансгенной кукурузы выросло на 30%.

    Из-за этого совсем не весь дополнительный фермент оказался вовлечен в процесс фотосинтеза. Однако вопреки всему итоговая фиксация углекислого газа все-равно выросла на 15%. Это заметно ускорило рост ГМ-кукурузы.

    В результате исследования китайским ученым в 2020 году удалось ускорить фотосинтез водорослей и цветка. Ученые ускорили фотосинтез зеленой водоросли Chlorella pyrenoidosa и высшего растения Arabidopsis thaliana с помощью светособирающего полимера. Полимер повышал их активность фотосинтетических систем за счет электростатического и гидрофобного связывания со стенками фотосинтезирующих клеток.

    По словам авторов, благодаря хорошей способности поглощать зеленый свет, растворимости в воде и биосовместимости подобные синтетические полимеры потенциально пригодны для применения в производстве биотоплива, а также развития энергетики и экологии.

    Вывод

    В настоящее время фотоэлектрические элементы, действующие в водяной среде, работоспособны, но явно несовершенны. Искусственный фотосинтез все-таки вполне эффективен в качестве инструмента для связывания атмосферного углерода и при этом дает стабильный поток заряженных частиц (протонов и электронов).

    Таким образом, фотосинтезирующие элементы можно было бы сочетать с солнечными батареями — например, уже сегодня устанавливаемыми на крышах частных домов в США.

    Солнечная батарея могла бы отдавать часть получаемой энергии на электролиз. В таком случае подключенные к ней фотоэлектрические элементы участвовали бы в связывании углекислого газа и расщеплении воды с получением водорода, который является экологически чистым топливом.

    Развитие катализаторов для таких процессов позволило бы не ограничиваться воспроизведением обычного фотосинтеза, а синтезировать, например, белки или ферменты. Мы уже научились масштабировать солнечные батареи, поэтому могли бы вместе с ними масштабировать и фотоэлектрические элементы.

    Подобные технологии могли бы поспособствовать разложению токсичных отходов или пластика, давая на выходе водород и энергию.

    Источник

    Tags: растения
    Subscribe

    Posts from This Journal “растения” Tag

    promo luckyea77 december 30, 15:00 8
    Buy for 10 tokens
    По этой ссылке (или этой) можно скачать информационную базу для программы "1С:Предприятие". С помощью данной базы можно готовиться и сдавать экзамены по темам: - Электробезопасность - Основы промышленной безопасности А.1 - Специальные требования промышленной безопасности: Б 9.31.…
    • Post a new comment

      Error

      default userpic

      Your IP address will be recorded 

      When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
      You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
    • 3 comments