Sujungus gyvas ląsteles su geriausiai šviesos energiją sugeriančia technologija, galima sukurti kiborgų fabrikus, kuriuose būtų išgaunama švari energija ir naujos medžiagos. Ir ne tik Žemėje

Kai Peidong Yang pirmą kartą paėmė gyvą organizmą ir prijungė prie silicio vielučių, kuriomis tekėjo elektros srovė, niekas nepamanė, kad iš to galėtų būti kas nors gero. „Kai iškėliau tokią idėją, žmonės netikėjo, kad ji galėtų veikti,“ sako Yangas.

Šokiruoti buvo ne vien mikrobai. Yango Kalifornijos universitete Berklyje ir dar kelių tyrėjų eksperimentai rodo, kad kai kurie organizmai ne tik išgyvena per silicį tekančių grynų elektronų poveikį, bet ir gyvena ne vieną savaitę. Tuo pačiu jie atvėrė naują tvarios energijos galimybę. Tikimasi, kad ši biologijos ir elektros sintezė gali išspręsti vieną iš didžiausių chemijos problemų: kaip paimti laisvai prieinamą Saulės energiją ir paversti ją pigios ir žalios energijos šaltinį visiems.

Ir ne tik tai. Sukūrus mikrobus, apjungiančius geriausias šviesos panaudojimo technologijas su fotosinteze, galėtume sukurti mažus, žalius fabrikus, gaminančius tokias naudingas chemines medžiagas, kokių tik reikia.

„Gamta išmano chemiją, o žmonės moka moka gaminti elektrą,“ sako Thomas Moore, Arizonos valstijos universitete studijuojantis Saulės energijos perėmimą. „Būtų labai prasminga apjungti šiuos du dalykus.“

Siekis panaudoti Saulės galią visai nėra naujas. Paul King iš Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos Kolorade, nurodo savo mėgiamą italų chemiko Giacomo Ciamician įžvalgą. 1912 metų žurnale Science, Ciamicianas svarsto, ar įmanoma būtų pasinaudoti Saulės energija taip, kaip tai daro augalai. „Kol kas žmonių civilizacija naudojasi praktiškai vien iškastine sSaulės energija,“ rašė jis. „Argi nebūtų pažangiau labiau išnaudoti spinduliuojančią energiją?"

„Augalų sujungimas su technologija smarkiai pagerintų fotosintezę”

Peršokime šimtmetį ir galima pamanyti, kad Ciamiciano vizija įgyvendinta. Vidutiniai plataus vartojimo Saulės skydeliai iš silicio kristalų elektra paverčia 15 – 20 procentų šviesos energijos. O kitų tipų lankstūs ir pigūs fotovoltiniai elementai irgi sparčiai darosi vis efektyvesni. Augalams belieka žaliuoti iš pavydo: teorinė didžiausią šviesos vertimo biomase riba – 4,5%. Realiomis sąlygomis daugelis augalų tepasiekia ~1%.

Bet taip lyginant, ignoruojama Saulės energiją persekiojanti problema. Nors Saulės išspinduliuojamas energijos kiekis daugmaž pastovus, apie Žemės paviršių to pasakyti jokiu būdu negalima. Čia apšviestumas priklauso nuo paros meto ir debesuotumo, todėl fotovoltinių elementų gaminama elektros srovė nėra pastovi. Tai nebūtų svarbu, jei elektrą galėtume elektros energiją paprastai kaupti ir prisireikus, panaudoti. Bet nors technologijos vis geriau atitinka elektros pasiūlą ir paklausą, vis dar itin smarkiai priklausome nuo brangių, didelių ir sulig kiekvienu įkrovimo/iškrovimo ciklu degraduojančių baterijų.

Augalų evoliucija sukūrė Saulės pradingimo priešnuodžius. Augalai energiją kaupia ne kaip elektringas daleles, o cheminiuose ryšiuose. Paprasčiau tariant, jie gamina kurą.

„Degalai gali sukaupti daugiau energijos, nei baterijos,“ sako Dan Nocera iš Harvardo universiteto, vienas iš dirbtinės fotosintezės pionierių. „Gamtai neužtektų vietos kaupti energiją baterijų pavidalu.“

Bet sukurti galinčią tai atlikti dirbtinę sistemą tikrai nėra lengva. Augalai savo biocheminę magiją atlieka, paimdami vandenį ir šviesos energija suskaidydami jį į deguonį, elektronus ir krūvį turinčius vandenilio jonus, familiariau – protonus. Tada šie protonai ir elektronai sujungiami su iš oro paimamu anglies dvideginiu ir suformuojami cukrūs (žr. diagramą). Visai šiai subtiliai molekulinei choreografijai diriguoja sudėtingos architektūros biomolekulės.

Subtilus šokis

Nocera ko gero pasiekė daugiausiai, bandydamas šią savybę atkartoti. 2011 metais jis pademonstravo vieną iš geriausių dirbtinio lapo sistemų. Jos dizainas paprastas, o komponentai – nebrangūs. Ji labiau primena šviesiai pilką pašto ženklą nei lapą (žr. žemiau). Tai silicio plokštelė, impregnuota katalizatoriais. Bet ji išties gali elgtis kaip lapas. Pamerkite į vandenį, ir pradės formuotis deguonies ir vandenilio burbuliukai. Svarbiausia čia – vandenilis. Tai yra kuras, kurį galima kaupti balionuose arba kuro elementuose, prisireikus galinčiuose vėl paversti jį elektra.

Nocera'o pastangos įspūdingos, tačiau energetikos revoliucijai jų nepakanka. Vandenilis gal ir kuras, bet svajonės apie vandenilio ekonomiką sklando jau ne vienerius metus ir šia kryptimi progresas užstrigo. Iš dalies taip yra todėl, kad vandenilį elektra verčiantiems kuro elementams reikia katalizatorių iš tauriųjų metalų, tokių, kaip platina. O be to, visuomenė jau turi išplėtotą skystų angliavandenilinių degalų infrastruktūrą. Vandenilis čia jaustųsi ne savo batuose.

Augalams tokių problemų nekyla, kadangi jie surinktą energiją kaupia kaip cukrus, kurą, kurį jie gali sunaudoti patys. Būtų šaunu, jei dirbtiniai lapai galėtų atlikti ką nors panašaus – gaminti kurą, tinkantį mūsų infrastruktūrai. Toks biokuras degdamas išskirtų anglies dvideginį, bet kadangi dirbtinis lapas prieš tai jau būtų jį susiurbęs, emisijų praktiškai nebūtų.

Tačiau paskutiniojo žingsnio taip ir nepavyksta žengti. „Gerai žinome, kaip paversti šviesos energiją elektra,“ sako Moore'as. „Bet Saulės energijos paversti anglies turinčiu kuru nemokame.“

Taigi, radosi nauja idėja. Augalai yra nepralenkiami biocheminės kuro sintezės meistrai. Bet žmonių technologija juos gerokai lenkia elektronų išgavimo našumu. Gal būtų įmanoma šias dvi srits apjungti ir sukurti tubokiborgišką fotosintezės versiją?

Nocera vienas iš pirmųjų ėmėsi šios minties gvildenimo. Drauge su bioinžiniere Pamela Silver iš Harvardo, jis pradėjo nuo 2011 metų pavyzdžio vandenį skaidančio ir vandenilį gaminančio dirbinio lapo apjungimo su dirvos bakterijomis Ralstonia eutropha. Bakterijos maitinosi vandeniliu, maišė jį su anglies dvideginiu ir išskyrė biokurą. Silverio laboratorijoje bakterijos genomas buvo pakoreguotas, kad jos gamintų įvairų skysto alkoholio kurą.

Sistema veikė, bet tik vos vos. Nocera'o sukurti vandenilį gaminantys katalizatoriai tuo pačiu gamino ir itin aktyvius deguonies atomus. Jie tokie reaktyvūs, kad trukdė bakterijų biocheminiams procesams ir po valandos visos jos žūdavo. Bet pernai publikuotame darbe Nocera'o komanda pristatė naują, su mikrobais gražiai žaidžiantį katalizatorių. Be to, gautas bioninis lapas pigesnis už ankstenį variantą ir itin efektyvus. Į kurą jis kovertavo net 10 procentų šviesos energijos (Science, vol 352, p 1210).

Tai buvo šaunus pasiekimas, bet ne išskirtinis. Yangas jau buvo pradėjęs eksperimentus su mikrobais ir elektra. Ir jis norėjo žengti dar toliau nei Nocera. Jis norėjo mikrobus maitinti ne vandeniliu, o grynais elektronais.

„Prieš 10 metų mokslo bendruomenė nemanė, kad toks dalykas iš viso įmanomas,“ sako Moore'as. Bet neseniai išsiaiškinome, kad kai kurios bakterijos gamtoje maitinasi gryna elektra, tiesiog rydami elektronus. Taip pat jau žinome, kad Geobacter mikrobai gali vartoti elektronus ir panaudoti juos cheminėms reakcijoms. Bet Yangas norėjo atlikti visai ką kita.

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.

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.