Искусственный фотосинтез позволит производить топливо из света и воды

Учёные разработали новую систему, сочетающую сильные стороны естественного фотосинтеза и его искусственных аналогов. В частности, они "оживили" древние гены водорослей, чтобы заставить их ферменты вырабатывать водород, который станет основой экологичного топлива. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Energy группой во главе с Эрвином Рейснером (Erwin Reisner) из Кембриджского университета.

Как известно, естественный фотосинтез – это процесс образования в живых организмах органических веществ из неорганических под действием солнечного света. Самый известный (но не единственный) его вариант реализован зелёными растениями. В них углекислый газ и вода превращаются в глюкозу и кислород (которым мы, собственно, и дышим).

Первой стадией этого процесса является разделение молекулы воды на атомы кислорода и водорода под воздействием квантов света и в присутствии ферментов (естественных катализаторов). Именно эта стадия особенно интересна человечеству в свете создания водородного топлива. Поэтому технологии, воспроизводящие такое разделение под действием солнечного света, часто называют искусственным фотосинтезом, хотя об образовании органики речь может и не идти. Именно в этом смысле мы в дальнейшем и будем понимать выражение "искусственный фотосинтез".

Такого рода технологии разрабатываются не первое десятилетие, однако они всё ещё не покинули стены лабораторий. На пути к их промышленному применению есть целый ряд препятствий. Например, они требуют применения дорогостоящих и/или токсичных катализаторов.

С другой стороны, КПД естественного фотосинтеза оставляет желать лучшего. Это и понятно: ведь его эволюционная задача в том, чтобы обеспечить растение пищей, а не в том, чтобы сделать как можно больше сахара, и тем более не в выработке газообразного водорода. Так что просто "сплагиатить" у растений их "технические решения" – не очень привлекательная идея.

Команда Рейснера стремилась объединить достижения эволюции с наработками химиков. Их детище использует природный комплекс белков, известный как фотосистема II. Однако эти вещества "работают" только с квантами красного и синего света. Чтобы заставить участвовать в процессе также и зелёный свет, авторы использовали оксид титана. Перенос электронов от него осуществляется специальным полимером, содержащим осмий.

Для получения газообразного водорода в разработанной системе используется фермент гидрогеназа. Это естественный биохимический катализатор, который, согласно данным учёных, участвовал в процессе фотосинтеза у далёких предков некоторых ныне живущих водорослей. Потом живые организмы научились обходиться без него, и когда ген, отвечающий за его выработку, был "сломан" мутацией, водоросли этого "не заметили". Биологи восстановили этот ген в генно-модифицированных организмах и заставили его работать на благо человечества. Это позволило им обойтись без неорганических катализаторов со всеми их недостатками.

Как уточняется в пресс-релизе, новая разработка является первой, которая успешно использует фотосистему II и гидрогеназу в системе искусственного фотосинтеза, работающей исключительно на солнечной энергии.

Тем не менее и эта технология пока не готова к внедрению в промышленность и скорее прокладывает новые пути, чем демонстрирует готовый коммерческий продукт.

"Эта работа решает множество сложных проблем, связанных с интеграцией биологических и органических компонентов в неорганические материалы для создания частично искусственных систем [фотосинтеза], и демонстрирует новый инструментарий для разработки будущих систем преобразования солнечной энергии", – резюмирует Рейснер.