Ученые пересматривают вопросы биоэнергетики и фотосинтеза

Водород является важным товаром, более 60 миллионов тонн которого производится во всем мире каждый год. Однако более 95% водорода производится путем паровой конверсии ископаемого топлива, процесс, который является энергоемким и производит углекислый газ. Если бы мы могли заменить хотя бы часть этого на водорослевый биоводород, который производится с помощью света и воды, это имело бы существенное влияние.

По сути, это то, что только что было достигнуто в лаборатории Кевина Реддинга, профессора Школы молекулярных наук и директора Центра биоэнергетики и фотосинтеза. Их исследование под названием «Восстанавливающий фотосинтез: химера — гидрогеназы Фотосистемы I, которая вырабатывает водород in vivo», было недавно опубликовано в журнале «Energy and Environmental Science».

«То, что мы сделали, — это продемонстрировали, что можно перехватить электроны высокой энергии из фотосинтеза и использовать их для управления альтернативной химией в живой клетке», — объяснил Реддинг. «Мы использовали производство водорода здесь в качестве примера».

«Кевин Реддинг и его группа совершили настоящий прорыв в реорганизации комплекса «Фотосистема I», — пояснил Иан Гулд, временный директор Школы молекулярных наук, которая является частью Колледжа гуманитарных наук и наук. «Они не просто нашли способ перенаправить сложную белковую структуру, которую природа разработала для одной цели, чтобы выполнить другой, но не менее важный процесс, но они нашли лучший способ сделать это на молекулярном уровне».

Общеизвестно, что растения и водоросли, а также цианобактерии используют фотосинтез для производства кислорода и «топлива», причем последние представляют собой окисляемые вещества, такие как углеводы и водород. Существует два пигментно-белковых комплекса, которые управляют первичными реакциями света при кислородном фотосинтезе: Фотосистема I (PSI) и Фотосистема II (PSII).

Водоросли (в этой работе одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii, или сокращенно Chlamy) обладают ферментом, называемым гидрогеназой, которая использует электроны, которые она получает из белка ферредоксина, который обычно используется для доставки электронов из PSI в различные места назначения. Проблема заключается в том, что гидрогеназу водорослей быстро и необратимо инактивируют кислородом, который постоянно вырабатывается PSII.

В этом исследовании докторант и первый автор Андрей Каныгин создал генетическую химеру PSI и гидрогеназы, так что они совместно собираются и активны in vivo. Эта новая сборка перенаправляет электроны от фиксации углекислого газа к производству биоводорода.

«Мы подумали, что нужно использовать несколько радикально разных подходов — поэтому наша сумасшедшая идея подключить фермент гидрогеназу непосредственно к Фотосистеме I, чтобы отвлечь большую часть электронов от расщепления воды (Фотосистемой II) для получения молекулярного водорода», — Объяснил Реддинг.

Клетки, экспрессирующие новую фотосистему (PSI-гидрогеназа), вырабатывают водород с высокой скоростью в зависимости от света в течение нескольких дней.

Этот важный результат будет также представлен в следующей статье в Chemistry World — ежемесячном журнале новостей по химии, публикуемом Королевским обществом химии. Журнал освещает текущие события в мире химии, включая исследования, международные деловые новости и государственную политику, поскольку они затрагивают сообщество химической науки.

Источник

Метки: водород, фотосинтез