Fotosyntéza je úžasný proces. Používá energii hvězdy, našeho Slunce, aby s ní poháněla pozemské ekosystémy. Jenže je to také velmi starobylý proces, který vznikl nevypočitatelnou a slepou evolucí. A to znamená, že přírodní fotosyntéza není bez chyb či nedostatků. Slabým místem fotosyntézy je komplikovaný a zoufale nevýkonný enzym RUBICSO, stejně tak chlorofyl, zelený pigment, který hraje klíčovou roli v zachycení slunečního záření, není úplně ideálně účinný.
Kelsey K. Sakimoto z Kalifornské univerzity v Berkeley a jeho tým se rozhodli, že zkusí fotosyntézu Matky Přírody překonat. Šli na to rafinovaně. Vzali bakterie, vylepšili je nanotechnologií a udělali z nich maličké, ale zároveň velmi účinné solární články. Výsledky své práce prezentovali v těchto dnech na 254. národním setkání a výstavě Americké chemické společnosti.
Sakimoto a spol. nepoužili k zachycování světelného záření chlorofyl. Namísto toho si vybrali jeden druh bakterií a nechali je porůst polovodičovými nanokrystaly. Tyto nanokrystaly jsou podle Sakimota při fotosyntéze mnohem účinnější a jejich výroba přijde jenom na zlomek ceny dnešních solárních panelů.
Pro své experimenty si Sakimoto s kolegy vybral klostridii druhu Moorella thermoacetica, která za normálních okolností neumí fotosyntetizovat. V rámci svého běžného metabolismu vyrábí kyselinu octovou z oxidu uhličitého. Kyselina octová je přitom všestranná organická látka, ze které je možné vyrobit řadu různých paliv, polymerů, léčiv i dalších užitečných organických látek. K tomu je možné využít další typ geneticky vylepšených bakterií.
Když Sakimoto krmil moorelly kadmiem a aminokyselinou cysteinem, která obsahuje atom síry, tak bakterie ochotně syntetizovaly nanočástice sulfidu kadmia (CdS). Tyto nanočástice pak vytvořily nanokrystaly na povrchu mooorell, kde slouží jako solární nanopanely. Sakimoto tak v laboratoři vytvořil bakteriální kyborgy, kterým s kolegy říkají M. thermoacetica-CdS. Nanokyborgové vyrábějí kyselinu octovou z oxidu uhličitého, vody a slunečního záření.
Podle Sakimota tyhle kyborgizované bakterie porazí v účinnosti přírodní fotosyntézu. Morrelly se solárními panely fungují s účinností více než 80 procent. Navíc se samy množí a regenerují, takže vlastně jde o bezodpadovou technologii. Sakimoto je přesvědčen, že anorganicko-biologičtí hybridi, jako jsou morrellly, mají velký komerční potenciál. Mnoho současných systémů umělé fotosyntézy vyžaduje pevné elektrody, který jsou velmi nákladné. Na nové technologii bude ještě nutné pracovat, vyhlídky ale nejsou špatné. Sakimoto se také domnívá, že by podobné bakterie mohly existovat i v přírodě. Už jsme objevili tak bizarní mikroorganismy, že je to docela dobře možné. Bioprospektoři mají rozhodně o čem přemýšlet.
Video: Are bacteria the cyborgs of the future? - Headline Science
Video: Rewriting evolutionary history: cyborg bacteria for high-efficiency photosynthesis
Literatura
American Chemical Society 22. 8. 2017.
Hacknutí fotosyntézy pro záchranu lidstva
Autor: Stanislav Mihulka (27.09.2014)
Průlomový solární článek vyrábí palivo z oxidu uhličitého a slunečního záření
Autor: Stanislav Mihulka (02.08.2016)
Umělá fotosyntéza požírá skleníkové plyny a vyrábí energii
Autor: Stanislav Mihulka (13.05.2017)
Diskuze:
Trochu moc PR...
Roman Sobotka,2017-08-23 22:24:33
Jakkoli to cele zni zajimave, zatim je to (na muj vkus az prilis bombasticka) PR zprava UC Berkeley, zalozena na jedinem prispevku na konferenci. Je treba pockat, az to projde recenzi a bude publikovano. Cele to povidani o lepsi fotosynteze, chlorofylu atd zni dost prestrelene.
Moorella je anaerobni acetogeni bakterie, tedy citliva na kyslik. To muze byt dost zadrhel. CO2 je fixovano pomoci Wood-Ljungdahl metabolicke drahy, tedy neni tam Rubisco, ale problem s kyslikem to prilis neresi, vzhledem k potrebe anaerobniho prostredi. Pokud je CdS pouzito primo na fotolyzu vody, tak bude unikat kyslik, coz hadam bude te bakterii dost prekazet. Dalsi problem muze byt okyseleni cytoplasmy, musi byt nejak pufrovano. Nicmene jako napad perfektni.
Pokud nekoho opravdu zajima acetogeni metabolismus, tak tady jedno otevrene review v BBA:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2646786/
Re: Trochu moc PR...
Josef Hrncirik,2017-10-17 11:31:28
Díky za odkaz na možné dráhy fixace CO2.
Návaznosti a souvislosti jsou příliš rozsáhlé a složité.
Možná lze jednoznačně konstatovat, že termodynamicky je výhodnější pro techniky i bakterie nekončit u kyseliny octové (navíc velmi zředěné), ale ale u methanu.
Nejspíše bakterie octovku či meziprodukt vyrábí jen v nouzi pro nutnou vlastní spotřebu a jinak raději bzdí metan (který se technikům líp tahá z vody a ze kterého ev. octovku vyrobí).
Každopádně pro syntézu octovky potřebují vodík nebo octovku či podobné jako zdroj vodíku a ev. oxidační prostředí z fotolýzy vody jim spaluje hydrogenační katalyzátor, nebo alespoň H2 či jiná redukovadla.
CdS určitě neštěpí vodu s 60% ůčinností z dopadajícího světla.
V nejlepším případě mohl básník říci, že až 60% pohlceního světla se přemění na proud.
Bohužel jen modrého, tj. max 20% z slunečního světla x oněch 0,6 = max 12%.
Pokud však díry v polovodiči CdS nejsou rychle redukovány vhodným redukčním činidlem, dochází k oxidaci síry a rozpouštění jedovatého CdS na jedovatější Cd++ a fotopanely mizí jako sníh na jaře.
Ostatně, kdyby fotolýza probíhala významně, dávno by se dětičky učily, že žlutá suspenze CdS se osvětlováním rozpouští za vzniku třaskavého vodního plynu s přebytkem H2 z reakce CdS + 4 H2O = CdSO4 + 4 H2
Znovu bychom si vysráželi CdS pomocí H2S a tak z 1 H2S vlastně namnožili 4 H2, tj s čistým ziskem min 3 H2.
Prostě CdS málo absorbuje nemodrá světla a podléhá fotokorozi.
Pokud se připravuje pomocí CdS jakž takž úspěšně H2, pak jen v systému, kde je obětován sirník (CdS či sodný... v roztoku siřičitanu) a uvolněná síra se přeměňuje na sirnatan.
Vlastně to odpovídá nikoliv fotolýze vody, ale pouhého H2S ze sirníku, podpořené další oxidací síry v siřičitanu a reakce CdS + 2 H2O + Na2SO3 = H2 + Cd(OH)2 + Na2S2O3 by nejspíše mohla samovolně probíhat i potmě.
Fotolýza či elektrolýza vody vyžaduje min 1,23 eV, sirovodíku jen cca 0,1 eV a oxidace siřičitanu uvolněnou sírou by fotolýzu H2S posunula k 0 či do záporných eV k samovolnosti.
Sakimoto maluje, že díry v CdS bude ucpávat cystein oxidací na cystin a bakterie bude hodovat na H2.
Kdo však bude do koryta dosypávat další cystein a vyvážet vzniklý cystin neví,
asi ho bude regenerovat pomocí H2 a na ocet už žádný H2 nezbyde.
O hraničních možnostech fotosyntézy a jejím hospodaření se světlem je podrobně psáno v
Ren sust energy rev 62 (2016) 134-163
no nevim
Marek Vejša,2017-08-23 11:29:41
Vždycky jsem měl za to, že evoluce dopilovala všechny procesy k dokonalosti, co se týká účinnosti výkonu atd. Po přečtení tohoto článku až na konec jsem se v tomto názoru spíše utvrdil
Re: no nevim
Josef Hrncirik,2017-08-23 12:03:19
Je někde nějaký článek?
Video mi naštvalo.
cca 2 strany z konference mi také nic k věci neřekly a díl jsem nehledal.
Kdyby odkaz byl blbovzdorný (byl-li jaký), tak ze mě není rasista.
jak velké je riziko přežití ve volné přírodě?
Libor Zak,2017-08-23 08:45:06
Koncept je to beze sporu zajímavý, ale nejsem si jistý, jestli v tom není potenciální riziko. O bezpečnostních pojistkách u podobných experimentů pravda moc nevím, u nějakého podobného pokusu s bakteriemi jsem tuším někde četl, že pro přežití organismů je nutné dodávat nějakou konkrétní, nepříliš běžnou látku, jinak populace bakterií vyhyne, nevím ale jestli je to tento případ. Bakterie, která se živí pouze vodou, sluncem a oxidem uhličitým a přitom je úspěšnější a výkonnější, než jiné řasy a sinice, které dělají to stejné, by byly asi i úspěšnější v obsazování biotopů. Nerad bych viděl, jak se oceány mění na kyselinu octovou, ta je sice organická a ostatní organismy ji budou schopny zpracovat, ale do jaké míry. Kdysi byla Země osídlena anaerobními organismy, původní organismy vyhynuly. Někde jsem dokonce viděl i celkem dobře podpořenou teorii, že to vedlo ke Sněhové kouli, tedy období, kdy byla země na miliony let pokryta ledem a oceány na miliony let zamrzly, ale jiná teorie zase tvrdí, že za tím byly sopky a vulkanická zima. Uznávám, je to spíše jako námět na laciný béčkový film, ale stejně by mě zajímalo, jaké mají pojistky. Pokud je pro nanesení polovodičových krystalů na povrch bakterií potřeba nějaký sofistikovaný postup, který samovolně není možný, tak jsou obavy nejspíše zbytečně. Pokud si nově vzniklé bakterie umí tento fotovoltaický plášť tvořit samy, tak bych byl velmi opatrný.
Re: jak velké je riziko přežití ve volné přírodě?
Pavel Hudecek,2017-08-23 13:28:28
Riziko není. Je to jistota. Ty bakterie v přírodě normálně dávno žijí a možná i ve Vašich střevech. Tak raději nejezte moc kadmia a síry a pokud takové věci jíte, nejezte rozsvícené svítilny, aby se Vám neudělalo blbě z octa:-)
Rozmnožování
Alexandr Kostka,2017-08-23 08:22:19
Ano, bakterie se určitě samy množí, ale jak zajístí, že nová generace má opět další polovodičové krystaly? Jsou přikrmovány kadmiem a sírou trvale?
Jsou už dost vepředu.
Josef Hrncirik,2017-08-23 08:10:37
V rámci 2´ prezentace zkritizovali Boha, že jeho neprozřetelné vyvolení chlorofylu jako
fotosyntézu ženoucí barvivo byl Jeho největší omyl za poslední 3 miliardy let a doporučuje používat jeho nanočástice toxického sirníku kademnatého;
i když mají od Boha bakterie, které i předtím než bylo světlo v rámci dýchacího procesu vyrábějí z CO2 kyselinu octovou.
Možná ale jde jen o běžný překlad textu AI, nebo už celá prezentace je dílem AI.
Možná to japanoameričanovi afroameričané zkritizují.
Re: Jsou už dost vepředu.
Libor Zak,2017-08-23 08:25:38
Nejsem si jist, že váš komentář sem vůbec patří. Je to nějaká podivná směs náboženství a rasismu, které navíc není příliš rozumět. Patrně jste si spletl server k diskusi. Zkuste to na Novinkách, nebo Idnes, tam to více ocení.
Re: Re: Jsou už dost vepředu.
Josef Hrncirik,2017-08-23 09:15:49
Možná tam mohlo být:
Do prostředí (?na povrch klostridií)
byly vloženy nanočástice CdS
i když to vypadalo že vznikaly spíše? pozvolnou reakcí sirných aminokyselin, s toxickým Cd++ do prostředí přidaného
Klostridie v rámci svého metabolizmu ?redukují CO2 na kyselinu octovou pomocí H2 z prostředí ?či interně vznikajícího (skutečně či formálně) anaerobní disproporcionací organických látek (potravy, čili určitě ne dýcháním!)
Elektrony z fotoaktivního CdS by se skutečně mohly zapojit do redukce CO2 z prostředí na CH3COOH, byli-li by ve správné době na správném místě, či vyrobit H2 a dát ho pro vydýchání oxidem uhličitým na kyselinu octovou.
Místo toho co se vlastně alespoň přibližně děje se píše, že to má účinnost 60%, tj. 20x větší než zfušovaná fotosyntéza.
Metodika, vlnová délka, obsah ve slunečním spektru, co tropí oxidační konec fotolýzy, jak je aktivovaný CdS stabilní (životnost) nikde.
Re: Re: Re: Jsou už dost vepředu.
Ludvík Urban,2017-08-23 09:47:08
Ta metodika, nejspis, bude obsahem prislusnych patentovych prihlasek. :-)
V chemii (a biochemii tuplem) jde o metodiku na prvnim miste.
Re: Re: Jsou už dost vepředu.
Jan Rychtář,2017-08-27 22:15:13
Prosimvás, tohle je místní Pepek Vyskoč. Kombinuje nějaké snad pozůstatky vědomostí a plete se mu do toho jeho schizofrenie. Toho si jen nevšímejte.
Re: Re: Re: Jsou už dost vepředu.
Josef Hrncirik,2017-08-28 07:47:53
New Jersey Department of Health (NJ HEALTH)
Cadmium Sulphide (CAS Number 1306-23-6)
nj.gov/health/eoh/rtkweb/docum...
Cadmium Sulfide is a carcinogen.
Handle with extreme caution.
Velkovýrobní aplikace uvolnitelných nanočástic CdS ve vodném prostředí kde Cd přejde oxidací, okyselením či mírnou chelatací do rozpustné mimořádně nebezpečné formy nejspíše nebude v New Jersey podle mého názoru povoleno.
Nejspíše s jistotou je to navíc fotochemický i chemický nesmysl.
Jsou však daleko vpředu a není vidět co vlastně míní dělat či dokonce udělali.
Ať se jim dílo daří.
Kadmium je velmi přísně vytlačováno z technických aplikací kvůli extrémní toxicitě.
Akumulátory, pigmenty,... .
Je zakazováno i kadmiování jako antikorozivní ochrana (jedna z nejlepších) ocelových součástek.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
