Фотосинтез в обмен на золото
Древние цианобактерии научились использовать энергию солнечного света для производства полезных им веществ, а в качестве бонуса насытили атмосферу Земли кислородом (за что мы им очень благодарны).
Однако не все микроорганизмы пошли по светлой дороге фотосинтеза. Некоторые решили искать свой путь, осваивая альтернативные источники энергии. Так, например, есть большая группа архей, которые получают энергию, перерабатывая углекислый газ в метан; правда, для этого им необходим источник водорода. Если с углекислым газом на планете проблем нет, то вот найти водород не так просто, поэтому метаногенам (так они называются), приходится его искать в местах, где нет кислорода: в морских глубинах или в кишечниках млекопитающих.
Нанокластеры золота, состоящие из 22 атомов, проникают внутрь бактерии M. thermoacetica и дают ей искусственную способность к фотосинтезу.
Как когда-то микробы искали себе альтернативные источники энергии, так и современные исследователи ищут разные способы производства энергии, желательно из того сырья, которого кругом полно. Действительно, почему бы не извлекать водород из воды или делать биотопливо из каких-нибудь отходов? А ещё лучше – научиться превращать углекислый газ в метан, да ещё и так, чтобы это было дешевле, чем добывать тот же метан из земных недр, ведь пока что основная проблема всей альтернативной энергетики – её высокая цена в сравнении с энергией из ископаемого топлива.
Про археи-метаногены речь зашла не случайно. С их помощью можно было бы не только производить топливо, но ещё и утилизировать углекислый газ, который образуется при сгорании того же самого метана. А в идеале ещё и создать замкнутый цикл – из углекислого газа получать метан, его сжигать, а из продуктов горения получать опять исходное топливо. Проблема в том, что, как было сказано, метаногены используют для этих целей водород, который они находят в окружающей среде. Но водород сам по себе уже топливо, притом довольно дорогое в производстве. Получать водород, чтобы кормить им потом бактерии, чтобы получить метан, было бы непозволительной роскошью. Однако тут есть одно интересное решение.
Не все метаногены делают метан из углекислого газа. Есть и другие, которые в качестве источника энергии берут не CO2 и H2, а ацетат (уксусную кислоту). Часто такие любители ацетата живут в компании с бактериями-ацетогенами. В свою очередь, разные ацетогены получают уксусную кислоту по-разному – есть такие, которые преобразуют в ацетат готовые органические вещества, есть другие, которые делают ацетат из углекислого газа и водорода, и есть третьи, которые делают и так, и так. (Тут на всякий случай стоит уточнить, что метаногенам и ацетогенам ни метан, ни уксусная кислота сами по себе не нужны – просто микробы научились использовать соответствующие химические реакции, чтобы получать энергию, а метан и ацетат – лишь побочные продукты.)
Среди ацетогенов, у которых ацетат получается как из готовой органики, так и из углекислого газа, есть бактерия Moorella thermoacetica. Чтобы поймать углекислый газ, нужна энергия. Растения, водоросли, цианобактерии используют для фиксации CO2 энергию света. Но ацетогены, и M. thermoacetica в том числе, используют для этого не свет, а неорганические соединения (иными словами, такие бактерии занимаются не фотосинтезом, а хемосинтезом). Однако, как показали эксперименты исследователей из Калифорнийского университета в Беркли, M. thermoacetica можно научить пользоваться светом.
По сути, и свет для фотосинтетиков, и неорганические соединения для хемосинтетиков нужны для того, чтобы получить электроны для химических реакций. (У фотосинтетиков свет выбивает эти электроны из специальных фотоулавливающих молекулярных комплексов, у хемосинтетиков электроны выкачиваются из неорганики.) Бактерию, занимающуюся хемосинтезом, можно приучить к фотосинтезу, если совместить ее с каким-нибудь фотоэлементом.
В 2015 году сотрудники Калифорнийского университета в Беркли разместили M. thermoacetica на фотоэлементе, и бактерия действительно начала перерабатывать углекислый газ в уксусную кислоту с помощью света. На следующем этапе уже не бактерии размещали на фотоэлементе, а фотоэлемент на бактерии. На клеточную мембрану M. thermoacetica посадили наночастицы сульфида кадмия, которые способны поглощать свет видимого спектра и отдавать электроны. Однако соединения кадмия оказались не очень полезны для бактерий, которые от них довольно быстро погибали; кроме того, электроны от наночастиц нужно было переправить через клеточную мембрану внутрь бактериальной клетки, а это требовало лишней физико-химической работы.
Поэтому возникла мысль поместить какие-нибудь безвредные наночастицы прямо внутрь бактерии, чтобы транспорт электронов уже ничем не осложнялся. Такими частицами стали безвредные нанокластеры золота. Частицы размером всего в 22 атома разместили внутри M. thermoacetica, и, как говорится в статье в Nature Nanotechnology, бактерии весьма положительно восприняли «золотой» подарок, вознаградив исследователей ростом трудовых показателей: количество перерабатываемого углекислого газа возросло на треть, да и продолжительность жизни микробов существенно увеличилась. Иными словами, бактерию, которая вообще не умела фотосинтезировать, с помощью золота удалось научить фотосинтезу, причем достаточно эффективному.
Что же до уксусной кислоты, которую будет синтезировать M. thermoacetica, то ее можно отправить метаногенам, а от метаногенов уже получить метан. Правда, когда метаногены разлагают уксусную кислоту, то на выходе кроме метана получается углекислый газ. Однако CO2 от метаногенов выходит меньше, чем его поглощают ацетогены, так что общий баланс углекислого газа все равно будет снижаться.