Nowe metody z zakresu biologii syntetycznej poprawiają wydajność zbierania energii słonecznej przez bakterie
Rośliny, algi i bakterie wychwytują energię świetlną ze Słońca i przekształcają ją w energię chemiczną poprzez fotosyntezę. Te fototrofy zbierają światło słoneczne dzięki milionom fotosyntetycznych pigmentów – takich jak chlorofil i bakteriochlorofil – znajdujących się w każdej komórce fotosyntetycznej. Aby móc pochłaniać energię świetlną i przekazywać ją do energochłonnych reakcji fotosyntezy, pigmenty te muszą być przymocowane do wyspecjalizowanych białek. Finansowany przez UE projekt SYNTHPHOTO pozwolił lepiej zrozumieć ten słabo poznany mechanizm wiązania. „Chcemy dowiedzieć się, w jaki sposób powstają kompleksy pigmentowo-białkowe i jak zapoczątkowują one proces, który ostatecznie prowadzi do produkcji adenozynotrifosforanu – złożonego organicznego związku chemicznego, napędzającego tysiące reakcji chemicznych, które umożliwiają wzrost i podział komórek. Te kompleksy zbierające światło nie tylko dostarczają energii niezbędnej do życia, ale również kryją w sobie tajemnicę, której poznanie pozwoli na projektowanie urządzeń, które pewnego dnia mogą zapewnić naprawdę czystą, nieograniczoną energię ze światła słonecznego”, tłumaczy prof. Neil Hunter, koordynator projektu SYNTHPHOTO. Badanie biosyntezy chlorofilu Naukowcy z laboratorium Huntera sklonowali i zsekwencjonowali wiele genów powiązanych ze szlakiem biosyntezy chlorofilu z bakterii Rhodobacter sphaeroides – fioletowej bakterii fotosyntetycznej – oraz z sinicy Synechocystis. Z powodzeniem wyprodukowali wiele z nich w aktywnej formie w Escherichia coli. Koncentrując się na enzymologii tego szlaku, zespół odkrył reakcje enzymatyczne, które leżą u podstaw pierwszego i trzeciego etapu biosyntezy chlorofilu, jak również enzym, który faktycznie nadaje zielony kolor roślinom. Co ważne, po raz pierwszy naukowcy z powodzeniem odtworzyli szlak biosyntezy chlorofilu w organizmie niefotosyntetycznym. „Udało nam się zbudować moduły genetyczne w Escherichia coli, które produkują pełny szlak chlorofilu. Nasze wyniki określają minimalny zestaw enzymów niezbędnych do produkcji chlorofilu i tworzą platformę dla inżynieryjnej fotosyntezy w heterotroficznych organizmach modelowych”, mówi prof. Hunter. Odkrycie struktury kompleksów zbierających światło Dzięki zastosowaniu mikroskopii sił atomowych, technik krystalograficznych i danych mikroskopii elektronowej, badacze po raz pierwszy skonstruowali modele atomowe całych zespołów membran fotosyntetycznych Rhodobacter sphaeroides. Modele pozwoliły na dokładne przewidzenie czasu podwojenia populacji bakterii, co było niezwykłym rezultatem. Innym ważnym osiągnięciem było określenie fotosyntetycznej struktury białkowej, która zbiera i zatrzymuje światło podczerwone oraz przekształca je w ładunek elektryczny. Pionierskie badania przeprowadzono na kompleksie fotosyntetycznym z bakterii Blastochloris viridis, który może zbierać i wykorzystywać światło o długości fali powyżej 1 000 nm, co stanowi czerwoną granicę fotosyntezy na Ziemi. Konstrukcje hybrydowe umożliwiają lepsze zbieranie światła Wykorzystując metody z zakresu biologii syntetycznej, naukowcy stworzyli pierwszy hybrydowy kompleks fotosyntetyczny w bakteriach, który zwiększa skuteczność zbierania światła słonecznego w porównaniu z naturalną fotosyntezą. Zespół opracował również nowe metody nanowzorcowania i chemii powierzchni w celu ułatwienia budowy innowacyjnych architektur dla sprzężonego transferu energii i pułapkowania. W szczególności uzyskano wzory kompleksów fotosyntetycznych w skali nanometrów na samoorganizujących się monowarstwach osadzonych na złocie i krzemie przy użyciu kilku metod litograficznych. „Takie sztuczne matryce do zbierania światła przyczynią się do lepszego zrozumienia naturalnych systemów przetwarzania energii i mogą zostać wykorzystane jako wskazówki przy projektowaniu i produkcji prototypowych urządzeń, które mogą efektywnie przechwytywać, przekształcać i przechowywać energię słoneczną”, podsumowuje prof. Hunter. W przyszłości mogą one znaleźć liczne zastosowania w przemyśle energetycznym.
Słowa kluczowe
SYNTHPHOTO, fotosynteza, bakterie, pigment, biologia syntetyczna, energia słoneczna, kompleks zbierania światła, biosynteza chlorofilu
