Tai būtų kažkas itin fantastiško ir nesuvokiamo, kaip fotosintezės nukopijavimas pakeis(tų) pasaulį (Video)  (3)

Nuo 2013 metų jo tyrimų grupė pademonstravo, kad tam tikri nefotosintetinančių bakterijų tipai gali augti ant šviesą surenkančių silicio nanovielučių. Po dviejų metų komanda išsiaiškino, kad nanovielutės gali perduoti elektronus tiesiai į bateriją. Mikrobai prieš tokias manipuliacijas nesispyriojo, rydavo elektronus ir naudodami anglies dvideginį bei vandenį, gamino skystą kurą, pavyzdžiui, acetatą.

Tada scenoje pasirodė dar vienas žaidimą galėjęs pakeisti veikėjas. Yangas su kolegomis paėmė kitą nefotosintetinančią bakteriją, Moorella thermoacetica, kuri acetatą gamina natūraliai, ir pridėjo mišinį iš tokių medžiagų, kaip kadmio jonai ir aminorūgštis cisteinas. Tyrėjai stebėjo, kaip ant bakterijos paviršiaus pasirodė šviesą sugeriančio kadmio sulfido dalelės. Atrodė, lyg mikrobai iš chemikalų būtų pasidarę nuosavus saulės šviesą surenkiančius švarkus (Science, vol 351, p 74). „Reikėjo labai pasistengti, kol sukūrėme puslaidinikines nanostruktūras,“ sako Yangas. „O čia bakterijų ląstelės šiuos puslaidinikių sluoksnius sukūrė pačios.“ Tai yra Saulės energiją naudojantis ir besidauginantis kuro fabrikas.

„Yango darbas labai įspūdingas – jis visiškai naujas,“ pažymi Erwin Reisner iš Kembridžo universiteto, irgi kuriantis bionines fotosintezės sistemas.

Tačiau patvarumo klausimas išlieka. Kol kas elektronus vartojančios bakterijos Yango aparate gali išgyventi vos kelias savaites. Yangas stengiasi perprasti jų biochemiją. Jis tikisi, kad tai padės padidinti vadinamos „fotosintetinančio kiborgo sistemos“ efektyvumą, kuris dabar yra 2,5%. „Čia viskas nauja ir būtina viską detaliai suprasti,“ sako jis. „Antraip tai – juodoji magija.“

Ir galite pamiršti visiškai dirbtinius lapus iš plonų silicio plokštelių; šios sistemos tebėra prototipai. Neaišku, kaip jie galėtų būti naudojami dideliu mastu. Nocera ir Silver Indijoje kuria bandomąjį reaktorių, kuris turėtų atsakyti į ai kuriuos klausimus.

Nocera stengiasi nesuteikti nepagrįstų vilčių dėl bioninių lapų. „Neturiu jokių klaidingų pretenzijų, kad kitamet išspręsiu globalias energetikos problemas,“ sako jis. Kuro gamyba bioniniais lapais regimoje ateityje tikriausiai liks brangesnė alternatyva už naftos gavybą. Nocera sako, kad siekiant padaryti tokius įrenginius ekonomiškai rentabiliais, reikėtų tokių rinkos intervencijų, kaip anglies mokestis. „Šios technologijos pritaikymas turi mažai ką bendro su atradimais ir daug daugiau – su pasaulio rinkomis,“ pažymi jis.

Tiesą sakant, daugiausiai šurmulio dabar kelia visi kiti dalykai, kuriuos gali gaminti bioninis lapas. „Tai nėra vien kuro gamyba,“ sako Moore'as. „Biologija kuria ir kitas mūsų viesuomenėje vertinamas fantastiškas medžiagas.“

Pirmieji vaisiai jau raškomi. Pavyzdžiui, amoniakas, molekulė, sudaryta iš azoto ir vandenilio atomų, itin svarbi trąšų dalis. 2016 metais jo buvo sunaudota ~166 milijonai tonų. Tačiau jį vis dar tebegaminame daug energijos reikalaujančius 100 metų senumo Haberio procesu, sukuriančiu daug anglies dvideginio. Bet yra kuiamas naujas amoniako gamybos būdas bioniniais lapais.

Kingas neseniai išnagrinėjo biocheminę inžineriją tam tikrų tipų bakterijų, verčiančių oro azotą amoniaku. Įdėkite jas į tirpalą, per kurį leidžiamas azotas, pridėkite kadmio sulfido puslaidininkį ir štai jums neįprastas dekosntruotas dirbtinis lapas, efektyviai verčiantis amoniaką iš Saulės šviesos. „Pašalinome gyvą ląstelę su visu jos sudėtingumu ir paprasčiausiai dirbome tik su fermentu,“ sako Kingas.

20

Silicio fotovoltinių elementų efektyvumo procentas, verčiant Saulės šviesą į elektros energiją

Šaltinis: National Renewable Energy Laboratory

Kiborgai vystosi

Nitrogenazės fermento išskyrimo iš bakterijų dideliu mastu vykdyti tikriausiai nepavyks, nes tai labai daug laiko reikalaujantis procesas. Vietoje to Kingas tiktisi parodyti, kaip veikia nitrogenazė ir taip padėti chemikams sukurti dirbtinį fermento analogą.

Yangas regi kitoką perspektyvą; ne ardant ląsteles, bet verčiant jas labiau bendradarbiauti. Kol kas jo „lapai“ tėra paprastos ląstelės, membrana apvilkti fermentų ir biologinės mašinerijos paketai. Bet „evoliucionavus“ juos į sudėtingesnes ląsteles, viduje turinčias specializuotų cheminių transformacijų vienetus, gautume ląsteles, veikiančias kaip sudėtingų ir įdomių cheminių medžiagų surinkimo linijos.

„Galime opradėti galvti apie tai kaip apie bendrą atsinaujinančioscheminės sintezės platformą,“ sako Nocera. Kadangi bakterijas galima genetiškai manipuliuoti, įmanoma priversti jas gaminti plastikus vaistus junginis, kurių sintetinimui kitais būdais būtų sunaudojama daug kuro. Būtent toks pritaikymas, Nocero nuomone, ekonomiškai apsimokės primiausiai. „Visiems šiems procesams atpigus, kitas svarbus žingsnis būtų kuro gamyba.“

Tokos idėjos patvirtinimas neseniai pasirodė iš NASA. Yangas sulaukė finansavimo iš Biologinės inžinerijos pritaikymo kosmose centro. Tai nurodo planus panaudoti gyvus organizmus gaminti kai kurias svarbiausias astronautamas medžiagas, tap kurių maistas, kuras ir deguonis.

Planuojama išmokyti Yango bioninius lapus atlikti Kingo triuką ir iš azoto, anglies dvideginio gaminti amoniaką, kuriuo galima bus tręšti maistines daržoves ir deguonį kvėpavimui. „Žemėje kuro pilna ir deguonis nieko nekainuoja,“ sako Reisneris. Kosmose, aiškus daiktas, deguonis itin svarbus.

Yangas netgi viliasi sukurti sistemą, kurioje būtų apjungtos įvairių tipų bioninės ląstelės, atliekančios įvairias funkcijas. Jos netgi galėtų veikti labiau kaip organizmas, su jautriomis ląstelėmis, pajuntančiomis, pavyzdžiui, kad sumažėjo deguonies lygis, paraginančiomis lapo ląsteles paspartinti fotosintezę.

Nuo Yango pirmųjų bandymų su bakterijomis, prijungtomis prie elektros. „Viskas artėja prie filmo „Marsietis“,“ sako Nocera. Gal vieną dieną bioniniai lapai užkandžiaus elektronai skitoje planetoje.