Minielektrárna ve skleníku

Fotosyntéza je jedním z nejlepších vynálezů přírody. Umožnila existenci vyšších forem života. Pokud bychom ji uměli využít nebo dokonce napodobit, mohla by přispět k řešení budoucích energetických problémů. Manajit Hayer‑Hartlová a Ulrich Hartl nyní zkoumají tuto možnost v Ústavu Maxe Plancka pro biochemii v Martinsriedu u Mnichova.

Příroda buduje sluneční minielektrárny již miliony let. Rostliny přeměňují sluneční energii v několikastupňovém procesu na cukry, které umíme energeticky využít např. pro výrobu biopaliv. Jedinou stinnou stránkou rostlin je to, že pracují velmi neefektivně – účinnost fotosyntézy je asi jen 5 %. K pokrytí evropské poptávky po bioetanolu nebo bionaftě v roce 2050 by nebyla dostatečně velká ani spojená rozloha Francie a Německa.

Existují však organizmy, které dosahují vyšší účinnosti než rostliny. Například zelené sirné bakterie Chlorobaculum tepidum (C. tepidum) mají velmi účinný mechanizmus absorpce slunečního záření a umějí přeměňovat na chemickou energii až 10 % energie dopadajícího světla. Vědci se nyní snaží do jejich tajemství přeměny světelné energie na energii chemickou proniknout a následně vylepšit rostliny tak, aby produkovaly více biomasy. Někteří z nich se dokonce chtějí bez rostlin zcela obejít a místo toho vybavit optimalizovaným fotosyntézním mechanismem i bakterie. Jiný uvažovaný způsob řešení má být zcela nezávislý na službách kteréhokoliv druhu organizmů: vodík by se například vyráběl v bioreaktorech, v nichž by se fotosyntéza uskutečňovala díky využití jen několika nezbytných proteinů. Příroda totiž vytvořila enzymy, které mohou s pomocí sluneční energie štěpit vodu, a které by tak mohly nahradit drahou platinu ve slunečních palivových článcích.

Rubisko

Vědci se zaměřili na klíčový protein ve fotosyntéze známý jako Rubisko. Rubisko představuje nejen nejobvyklejší protein na Zemi, ale je i jedním z nejdůležitějších. Bez Rubiska by život v současné formě neexistoval. Rubisko váže CO₂ z atmosféry a umožňuje jeho přeměnu na cukr a kyslík. Pracuje ale velmi pomalu a neefektivně. Reaguje nejen s CO₂, ale i s kyslíkem: v průměru váže jednu molekulu kyslíku na každých tři až pět molekul CO₂. Když se Rubisko na Zemi před 4 miliardami let objevilo, kyslík ještě v atmosféře neexistoval (dnes je ho v atmosféře asi 20 %). Rubisko by proto pracovalo efektivněji, kdyby s kyslíkem nereagovalo. Z toho důvodu se výzkum zaměřuje na to, jak přesvědčit protein, aby se vázal pouze s CO₂.

Průlomový objev

V první řadě bylo třeba zjistit, jak vlastně protein vzniká. Rubisko je jedním z největších proteinů – skládá se z osmi velkých a osmi malých subjednotek. Při tak velkém počtu subjednotek je zde ale riziko, že se špatné části proteinu nahromadí a vytvoří shluky. Aby proteiny pracovaly správně, je třeba, aby řetězce aminokyselin měly vhodné složení a subjednotky byly sestaveny tak, aby vytvořily jakýsi válec. Tento složitý proces je řízen jinými speciálními proteiny označovanými jako „ ochranní průvodci“ (chaperones). Podle výzkumníků jsou pro vytvoření funkčního komplexu Rubiska nezbytné tři proteiny: kromě již identifikovaných ochranných průvodců jsou to GroEL, GroES a nedávno objevený pomocný protein RbcX. RbcX zajišťuje, aby se dvě velké subjednotky mohly spojit. Pokud se do bakteriálního genomu vloží jen DNA pro protein bez odpovídajícího pomocného proteinu, nemůže se funkční Rubisko vytvořit. Toto je průlomový objev, díky němuž mohou nyní vědci začít pracovat v laboratoři na umělé výrobě Rubiska. Plánují zavést DNA pro Rubisko, dva ochranné průvodce a pomocný protein do bakterií. Rychle se rozmnožující mikroorganismy budou potom produkovat dostatečné množství proteinu.

Mohou lidé uspět tam, kde příroda neuspěla?

Někteří vědci se domnívají, že příroda již pro Rubisko našla optimální strukturu, a že ho nelze dále zdokonalovat. Vědci z Martinsriedu s tím však nesouhlasí. Jsou přesvědčeni, že rostlinná molekula Rubiska není definitivně tou nejlepší možnou variantou. Některé červené řasy mají totiž mnohem účinnější formy. Nalezení mutací, které by umožnily větší specializaci Rubiska na CO₂, však nebude snadné.

Více energie, méně vody

· Dostupnost rostlin s rychlejším růstem by znamenala velkou výhodu pro zemědělství.

· Přínosem efektivnějšího Rubiska by byla také o 10 až 15 % vyšší účinnost zemědělské produkce.

· Nejedná se jen o rychlejší růst, ale také o efektivnější přeměnu CO₂ na cukry, což sníží spotřebu vody. Zemědělská výroba by se díky tomu mohla provozovat i v suchých oblastech, kde to dříve nebylo možné. Předpokládá se totiž, že se suché oblasti budou rozšiřovat v důsledku nedostatku vody na Zemi.

· Řasy nebo rostliny s optimalizovanou variantou Rubiska by mohly zachytávat přebytečný CO₂ z atmosféry.

---

Bakteriální sluneční elektrárna

Organizmus, který potřebuje světlo k přežití, ale žije v místech, kde je ho málo, musí mít speciální „anténu“. Zelená sirná bakterie Chlorobaculum tepidum, která žije v hlubokých, temných vrstvách oceánů a jezer, takové antény má. S pomocí svých chlorozomů provozuje nejúčinnější přírodní sluneční elektrárny: na chemickou energii – zejména na cukry – přeměňuje 10 % světelné energie. Výzkumná skupina z Institutu Maxe Plancka pro bioorganickou chemii v Mülheimu an der Ruhr, vedená Alfredem R. Holzwarthem, studuje chlorozomy s cílem vytvořit model pro efektivní výrobu energie na bázi bakteriálních slunečních elektráren. Vědcům se již podařilo dosáhnout významného pokroku, a to mimo jiné i díky spolupráci s výzkumníky z univerzity v Leidenu a Groningenu a Penn State University ve Filadelfii. Vědci odhalili strukturu chlorozomů: důmyslnou kombinací různých experimentů a výpočtů zjistili, že chlorofyl v chlorozomech vytváří spirály. Dosud se o uspořádání chlorofylových sloupců vědělo jen málo, většina vědců, kteří se zabývají bakteriálními slunečními elektrárnami k budoucí výrobě biopaliv, uvažovala o vrstvách. To je však omyl – jednotlivé chlorofylové spirály se stáčejí do šroubovice a vytvářejí trubky o různém průměru. Několik trubek o různém průměru se vkládá do sebe jako u teleskopické tyče. Na rozdíl od vyšších rostlin tato složitá hierarchická struktura vzniká výlučně na samoregulující se základně. U vyšších rostlin vstupují do procesu proteiny jako zprostředkovatelé. Protože chlorozomy obsahují pouze chlorofyl, poskytují vhodné modely pro samo se organizující antény technického světla. Předtím, než bude možné kopírovat rostlinné antény pro technické účely, budeme muset nejdříve zjistit více o tom, jak funguje absorbce světla v chlorozomech. A i to by byla pouze poloviční cesta při hledání efektivního způsobu vázání sluneční energie. Anténu je třeba spojit s jednoduchým systémem, který přemění zachycenou světelnou energii na chemickou energii, tj. na systém, který získává cukr z CO₂ nebo štěpí vodík z vody.

Zdroje:

Harald Roesch: Powerhouse in the Foliage. Max Planck Research, 2010, č. 3, s. 31 ‑34

Peter Hergersberg: Blueprint for a bacterial solar power plant. Max Planck Research, 2010, č. 3, s. 33

Weby:

http://www.biochem.mpg.de/hartl
Ústav Maxe Plancka pro biochemii v Martinsriedu u Mnichova