Биохимики в 3 раза повысили КПД фотосинтеза
Ученые заставили растения фотосинтезировать в лаборатории в 3 раза активнее, чем в природе. В этом им помогли углеродные нанотрубки.
Результаты экспериментов, проведенных американскими биохимиками из Массачусетского технологического института, опубликованы в журнале Nature Materials.
Специалисты давно пытаются приспособить растительные хлоропласты (органеллы, в которых протекает фотосинтез) для создания солнечных батарей нового поколения и других устройств. Однако при этом они сталкиваются с двумя проблемами: во-первых, хлоропласты вне клеток быстро разрушаются под воздействием света и кислорода, во-вторых, КПД фотосинтеза низок (не более 10%), так как пигменты хлоропласта могут поглощать солнечный свет лишь определенной длины волны.
Авторы статьи придумали, как справиться с этими проблемами. Они синтезировали специальные углеродные нанотрубки, чья стенка состоит всего из одного ряда атомов углерода. Чтобы эти трубки могли проникать сквозь гидрофобную мембрану хлоропласта, ученые покрыли их отрицательно заряженными молекулами. Проникнув в хлоропласт, нанотрубки действуют как антенны, позволяя органеллам поглощать ультрафиолетовый, инфракрасный и зеленый свет, который обычно «игнорируется» растениями.
По аналогичной схеме исследователи снабдили хлоропласты наночастицами оксида церия. Этот сильный оксидант помог на несколько часов продлить жизнь хлоропластов вне клеток. После всех этих манипуляций ученые зафиксировали, что сквозь мембраны тилакоидов (мембранные «мешки» внутри хлоропласта) стало проходить на 49% больше электронов, чем раньше. Авторы статьи также обрабатывали раствором нанотрубок ткани живого растения (Arabidopsis thaliana): в этом случае поток электронов возрастал на 30%.
В общей сложности ученым удалось увеличить активность фотосинтеза в 3 раза. По словам исследователей, эта технология пригодится не только при разработке элементов солнечных батарей, но и при создании детекторов вредных веществ и отравляющих газов. Молекулы газов связываются с нанотрубками в хлоропластах и изменяют характер их флуоресценции, что позволяет идентифицировать вредные вещества даже в случае их низкой концентрации.