Биологи из Массачусетского института технологий (МИТ) сумели воспроизвести в лабораторных условиях процесс, благодаря которому растения, используя солнечный свет, расщепляют воду и добывают химическую энергию для своего роста. Они приспособили модифицированный вирус под биологический каркас, к которому крепятся наноэлементы, необходимые для расщепления молекулы воды на атомы водорода и кислорода.

Фотосинтез, пожалуй, является самым важным химическим процессом на нашей планете. Чаще всего он происходит в крошечных структурах -- хлоропластах, которые находятся в клетках листьев растений. Зеленый хлорофилловый пигмент в листьях захватывает солнечный свет и использует его энергию для перевода электронов от одного молекулярного комплекса в пределах клеток растений к другому. В конечном результате двуокись углерода и вода превращаются в глюкозу, которая может храниться в растениях как в виде крахмала, так и в виде других углеводов.

Ученые уже неоднократно пытались искусственно расщеплять молекулы воды при помощи солнечного света, однако процесс этот малоэффективен, потому что требует преобразования солнечной энергии в электрическую. Тем не менее работы по «приручению» фотосинтеза не прекращаются, потому что искусственный фотосинтез может дать человечеству неиссякаемый источник «зеленой», т.е. экологически чистой энергии.

Группе ученых из МИТ под руководством профессора биоинженерии Анжелы Белчер, пишет журнал Nature Nanotechnology, удалось воспроизвести фотосинтез в лабораторных условиях, без дорогостоящих солнечных панелей. Они использовали те же компоненты, что уже неоднократно применялись ранее, но сделали некоторые изменения на биологическом уровне. Для воссоздания процесса фотосинтеза в лабораторных условиях Анжела Белчер взяла широко распространенный вирус М13. Вирус был модифицирован так, что он являлся биологическим каркасом, на который крепились молекулы катализатора (окись иридия) и биологического пигмента (порфирин цинка). Эти применявшиеся ранее компоненты вполне эффективно извлекали из молекул воды атомы кислорода.

Известно, что растения и цианобактерии, также называемые зелено-голубыми водорослями, создают высокоорганизованные системы фотосинтеза для эффективного окисления воды. Ранее ученые пытались применять в искусственном фотосинтезе части, используемые растением в естественном процессе, но все они, к сожалению, структурно нестабильны.

Анжела Белчер решила пойти по другому пути и вместо заимствования компонентов растений взяла у них взаймы сам принцип. Вирусы в системе, построенной учеными, действуют как своего рода каркасы, которые заставляют пигменты и катализаторы выстраиваться в нужном порядке и начинать реакцию расщепления. Пигменты играют роль своего рода «антенн» для захвата света, после чего они передают энергию по всей длине вируса, как по проводнику. Вирус с прикрепленными к нему порфиринами оказался очень эффективным собирателем солнечного света.

Правда, через какое-то время «проволочные» вирусы сбивались в кучу и теряли свою эффективность. Поэтому профессор Белчер добавила к процессу искусственного фотосинтеза еще один шаг -- М13 заключали в гелевую микроматрицу, которая помогала вирусу сохранить структуру и поддерживала на постоянном уровне эффективность и стабильность.

Пока Белчер с коллегами удалось имитировать лишь одну часть процесса -- выделение из воды кислорода, но надо сказать, что это наиболее сложный в техническом смысле этап.

Сейчас профессор Белчер с коллегами из МИТ работает над созданием похожей биологической системы для осуществления второй части процесса фотосинтеза -- получения водорода. Она будет объединять протоны и электроны, на которые распадаются сейчас атомы водорода, обратно в атомы и молекулы. Другое направление работы -- поиски более распространенных и менее дорогих материалов для катализатора взамен довольно редкого и дорогого иридия.

Для того чтобы быть конкурентоспособной по сравнению с другими системами переработки солнечной энергии, система искусственного фотосинтеза должна быть как минимум в десять раз эффективнее естественного процесса, потому что реакция должна повторяться миллиарды раз, и для нее необходимы дешевые материалы. Профессор Белчер пока не хочет даже предполагать, когда удастся сделать из ее системы коммерческий продукт, но обещает в течение двух лет создать прототип устройства, которое сможет выполнить весь процесс расщепления воды на кислород и водород при помощи автономной и стабильной системы.