Искусственный фотосинтез, собранный в водных микрокаплях, перерабатывает в несколько раз больше углекислого газа, чем растения.

Суть фотосинтеза в том, что углекислый газ с помощью энергии света превращается в глюкозу. В эту короткую фразу укладывается множество реакций и множество сложнейших молекул, не говоря уже о том, что у фотосинтеза есть много вариантов: например, кислород получается не при всяком фотосинтезе, некоторые фотосинтезирующие бактерии его не выделяют.

Хлоропласты в клетках папоротника. В каждом хлоропласте есть множество мембранных пузырьков-тилакоидов, на мембранах которых сидят ферменты световой фазы фотосинтеза. (Фото: Carolina Biological Supply Company / Flickr.com) 

Микрокапли диаметром 90 микрометров с тилакоидами шпината и ферментами CETCH-цикла внутри. (Фото: Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology)

Но при всей сложности фотосинтеза в нём можно выделить фазу, которая идёт только на свету, и фазу, которая может идти в темноте. Световая фаза (которая сама делится на несколько этапов) – это уловление квантов света и превращение их энергии в химическую энергию молекул АТФ, или аденозинтрифосфата. Химические связи в АТФ легко рвутся, высвобождая много энергии, которую можно использовать в любых биохимических реакциях. И в темновой фазе фотосинтеза энергия АТФ расходуется на синтез из CO₂ углеводной молекулы.

Главную роль тут играет фермент, которого сокращённо зовут РуБисКо (а вообще-то – рибулозобисфосфаткарбоксилаза). РуБисКо присоединяет молекулу углекислого газа к вспомогательной молекуле рибулозо-1,5-бисфосфат, и образующееся соединение подхватывают другие ферменты. То есть РуБисКо – тот самый, кто вовлекает СО₂ в органическую жизнь.

Но работает этот фермент медленно, даже слишком медленно – он использует всего 5–10 молекул в минуту. Собственно, он ограничивает рост растений: если бы РуБисКо работал быстрее, то и биомасса прирастала скорее (хотя РуБисКо есть не только у растений). И вот несколько лет назад исследователи из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка модифицировали один из бактериальных ферментов РуБисКо так, что он стал работать в 10 раз быстрее. Кроме того, модифицированный фермент дополнили ещё шестнадцатью ферментами из девяти различных организмов, чтобы все вместе они образовали единую цепочку – получился CETCH-цикл (CETCH – аббревиатура из названий разных промежуточных веществ, которые получаются в ходе цикла).

Следующим шагом было соединить CETCH-цикл со световой фазой. Для этого взяли тилакоидные мембраны из листьев шпината. Тилакоиды – мембранные пузырьки, которые находятся в хлоропластах; мембраны тилакоиды усажены ферментами, которые выполняют светозависимые реакции фотосинтеза. Известно, что тилакоиды могут жить и работать вне растительной клетки, и в статье в Science описано, как тилакоиды удалось совместить с белками ускоренного CETCH-цикла.

Ферменты CETCH и тилакоиды заключали в крохотные водяные капельки; пропорции ферментов в этих каплях можно было менять по своему усмотрению, и производить тысячи микрокапель с одинаковым составом. В итоге удалось оптимизировать общий рецепт так, чтобы темновой CETCH-цикл и световые реакции тилакоидов сочетались друг с другом с наибольшей эффективностью. С энергетической точки зрения улучшенный фотосинтез оказался в среднем на 20% эффективнее, чем фотосинтез растений.

Тут нужно уточнить, что CETCH-фотосинтез заканчивался не глюкозой – в капельках получалась гликолевая, или гидроксиуксусная, кислота. Впрочем, здесь важно то, что углекислый газ в принципе удалось втянуть в органические соединения, и что это получается делать с намного большей эффективностью, чем у обычных растений.

Гликолевую кислоту используют в различных хозяйственных отраслях, из неё можно делать другие органические вещества, так что микрокапли с улучшенным фотосинтезом могут стать обычным делом на предприятиях органического синтеза (где они заодно будут поглощать большое количество углекислого газа).

Кроме того, авторы работы не исключают, что весь процесс можно модифицировать так, чтобы на выходе получалась какая-нибудь другая органика – например, молекулы-предшественники лекарств, или растительные гормоны, или что-нибудь ещё. Правда, тут стоит помнить и об экономической выгоде: всё-таки растительные мембраны, которые трудятся в микрокаплях, не очень долговечны, а получать их заново из того же шпината – не очень простая задача. Впрочем, может быть и мембраны удастся заменить на что-то искусственное и недорогое.