Учёные сообщили о разработке новой гибридной биобатареи

Сейчас во многих развитых странах центральной задачей общества является построение устойчивой энергетики. Чтобы удовлетворить эти потребности, исследователи изучают естественные процессы, которые обеспечивают растения и многие формы животных источником энергии в течение миллиардов лет. Секрет здесь заключается в преобразовании солнечной энергии в химическую или фотосинтез. Этой теме посвящено новое исследование, проведённое специалистами Университета Аризоны (Arizona State University). Ведущий автор исследования Кристин Льюис и ее коллеги представили запатентованное гибридное устройство, способное  к накапливанию за счёт увеличения потока энергии в тех условиях, когда естественный фотосинтез подавляется. Учёные говорят, что устройство представляет собой наполовину биобатарею, а наполовину живой организм.

Льюис говорит, что в их проекте они раскрыли некоторые тайны, связанные с передачей энергии. В частности, была проведена работа над соединением искусственной энергии с естественным фотосинтезом. Для этого исследователи подключились ко второй половине фотосинтетической цепи переноса электронов. Основной целью исследования является получение возможности включения фотосинтеза по желанию. В конечном итоге это сделает его более эффективным и позволит производить стабильные энергетические продукты.

Льюис является исследователем в Центре прикладных структурных исследований биодизайна (CASD), Центре экологической биотехнологии Светта (EB) и Школе молекулярных наук ASU (SMS). Под её руководством исследованием занимались коллеги из Arizona State University (ASU):

• Петра Фромм, директор Центра прикладных структурных исследований;
• Брюс Риттманн, директор Центра биотехнологии окружающей среды Swette и профессор Школы устойчивой инженерии и искусственной среды ASU;
• Вим Вермаас из Школы наук о жизни ASU и Глобального института устойчивого развития (GIS) Джули Энн Ригли;
• Сезар Торрес из Школы инженерии материи, транспорта и энергетики EB и ASU;
• Джастин Флори, заместитель директора Инженерного центра по отрицательным выбросам углерода, и Томас и Анна Мур из GIS, SMS и CASD.

Фотосинтез 2.0

Для протекания естественного фотосинтеза требуется вода, солнечный свет и CO₂. Фотосинтезирующие клетки работают в качестве крошечных фабрик по производству глюкозы. В дальнейшем она преобразуется в ATP. Кислород при этом вырабатывается в качестве побочного продукта, но он может оказаться вредным для протекания процесса фотосинтеза в том случае, когда повреждающие виды кислородных радикалов производятся с помощью высокоинтенсивного света. Процесс фотосинтеза идеально подходит для удовлетворения потребностей в энергии растений и прочих фотосинтезирующих организмов. Но при этом скорость, с которой происходит преобразование света в полезную химическую энергию слишком низкая, если говорить о потребностях человека в энергии. Поэтому ученые давно ищут технологии для использования естественного фотосинтеза и его улучшения для того, чтобы разработать углеродной нейтральные энергетические решения.

Взаимодействие с природой

С точки зрения эффективности преобразования энергии в процессе естественного фотосинтеза есть несколько ключевых ограничивающих факторов.

• Фотосинтезирующие организмы могут использовать лишь небольшую часть спектра солнечного света. Это красный видимый свет.
• Скорость фиксации углерода слишком мала, чтобы использовать её в практических целях. Требуется существенное увеличение скорости движения электронов по транспортной цепочке.
• Кроме того, организмы, способные к фотосинтезу, одновременно могут взаимодействовать только с ограниченным числом электронов, которые возбуждает солнечный свет. Если в транспортную цепь по переносу электронов будет подано их слишком много, то процесс может остановиться из-за повреждения или вывода из строя клетки. Данное ограничение связано с основным компонентом механизма переноса электронов в клетке. Это белковый комплекс, который также известен под названием фотосистема II (PS II).

В своём исследовании учёные описывают систему MEPS с использованием генетически модифицированной цианобактерии, прикрепленной к внешнему катоду. Применяемые в исследовании цианобактерии были модернизированы в лаборатории Вима Вермааса, являющегося автором исследования. Благодаря этому был осуществлён фотосинтетический цикл электронов без компонента фотосистемы II. При помощи химических посредников исследователям удалось обеспечить перемещение электронов с катода устройства в электрон-транспортную цепь цианобактерии. Благодаря устранению уязвимой фотосистемы II, процесс фотосинтеза стал проходить альтернативным путём через фотосистему I.

Полученные результаты эксперимента подтверждают, что фотосинтез можно осуществлять с помощью применения внешнего источника электронов, питающих транспортную цепь. При этом данный источник может работать в присутствии света высокой интенсивности. Сезар Торрес по этому поводу сказал, что одним из приоритетов их команды был поиск подходящего электрохимического медиатора для перемещения электронов в клетку. По его мнению, одним из основных моментов было осознание того, что они смягчили некоторые из более серьёзных ограничений Synechocystis (цианобактерий). Этого удалось добиться удалением фотосистемы II и  передачи электронов с внешнего источника.

Система MEPS в потенциале может использовать доступные в настоящее время солнечные батареи для обеспечения потоков внешних электронов, которые требуются для подпитки фотосинтетических реакций. Фотогальваника обеспечит поставку электронов с длинами волн от нуля до тысяч нанометров. Это будет гораздо более широкий спектр для собираемого света, чем тот, что обычно доступен для естественного фотосинтеза.

Льюис разрабатывает проект уже 6 лет. В нём объединилось много научных дисциплин, среди которых микробиология, инженерия, биохимия, электрохимия, фотохимия, физика. Работа была в центре внимания различных презентаций Льюис на научных конференциях. Она получила ряд важных наград. Результаты исследования были опубликованы в этой статье.

Льюис отмечает, что в 2050 году глобальный рост приведёт к тому, что потребности в энергии превысят имеющиеся возможности. Поэтому уже сейчас нужно научиться производить экологически чистую устойчивую энергию. И проведённое исследование Льюис считает одним из шагов к этой цели.