Новости химической науки > Перенаправление электронов учит водоросли выделять водород

Исследователи из Германии разработали высокоточную методику генетической инженерии, позволяющую контролировать направление перемещения электронов, выделяющихся в ходе начальных стадий фотосинтеза в микроводорослях и использовали эту методику для пятикратного увеличения образования водорода [1].

Выделение водорода водорослями типа Chlamydomonas reinhardtii обычно ограничено их физиологией. (Рисунок: © AMI Images/Science Photo Library)

Водород привлекает все больший интерес исследователей и инженеров как экологически чистая альтернатива привычному ископаемому топливу, однако, поскольку большая часть водорода в настоящее время производится переработкой природного газа, как отмечает Оливер Индервильди (Oliver Inderwildi) из Оксфорда, общее экологическое давление от использования такого водорода, естественно высоко, и его можно рассматривать как «волка в овечьей шкуре». Существующие в природе микроводоросли могут выделять водород, поглощая энергию солнечного света, однако такая, раннеэволюционная версия фотосинтеза отличается низкой производительностью по водороду, поскольку большая часть электронов, образующихся при конверсии солнечной энергии, как и в привычном нам фотосинтезе используется растениями для восстановления диоксида углерода до углеводов.

Ранее проведенные исследования, касающиеся фотосинтеза, протекающего с выделением водорода, были сосредоточены на ограничении скорости образования водорода [2]. Для того, чтобы увеличить выход водорода, но при этом сохранить жизнеспособность организма, Вольфгангу Любитцу (Wolfgang Lubitz) удалось модифицировать белок ферредоксин, отвечающий за распределение электронов, образующихся вследствие фотоактивации зеленых водорослей Chlamydomonas reinhardtii.

Исследователям из группы Любитца удалось идентифицировать два остатка аспарагиновой кислоты в составе ферредоксина, взаимодействующие с ферментом, отвечающим за образование углеводов, но не с гидрогеназой, которая ускоряет реакцию восстановления ионов гидроксония H₃O⁺ до молекулярного водорода H₂, в то время как большая часть аминокислотных остатков ферредоксина либо взаимодействует с обоими ферментами, либо индифферентны к обоим. Замена аспартат-остатков на аланины привела к подавлению связывания ферредоксина с ферментом, отвечающим за синтез углеводов, в результате чего количество водорода, выделяемого водорослями, было увеличено в пять раз.

Исследователи хоть и надеялись на успех, однако до конца не были уверены в том, что им удастся найти эти аминокислотные остатки, роль которых до начала исследования была неясна. Любитц заявляет, что открытие было сделано благодаря специфичности методики – изучению особенностей взаимодействий между белками с помощью ЯМР. В настоящее время исследователи планируют расширить свою методику и на изучение других типов взаимодействия.

В настоящее время коллеги Любитца из Рурского Университета (Бохум, Германия) планируют провести дальнейшую оптимизацию системы Любитца с целью получения коммерчески доступного организма, способного производить водород.

Источники: [1] Energy Environ. Sci., 2014, DOI: 10.1039/c4ee01444h; [2] Hydrogen Energy, 2013, 38, 16029, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.10.011

метки статьи: #биохимия, #кинетика и катализ, #молекулярная биология, #химическая технология