Штучний фотосинтез, зібраний у водних мікрокаплях, переробляє в кілька разів більше вуглекислого газу, ніж рослини.
Суть фотосинтезу в тому, що вуглекислий газ за допомогою енергії світла перетворюється на глюкозу. У цю коротку фразу вкладається безліч реакцій і безліч найскладніших молекул, не кажучи вже про те, що у фотосинтезу є багато варіантів: наприклад, кисень виходить не при всякому фотосинтезі, деякі фотосинтезуючі бактерії його не виділяють.
Але при всій складності фотосинтезу в ньому можна виділити фазу, яка йде тільки на світлі, і фазу, яка може йти в темряві. Світлова фаза (яка сама ділиться на кілька етапів) - це вловлення квантів світла і перетворення їх енергії на хімічну енергію молекул АТФ, або аденозинтрифосфату. Хімічні зв'язки в АТФ легко рвуться, вивільняючи багато енергії, яку можна використовувати в будь-яких біохімічних реакціях. І в темновій фазі фотосинтезу енергія АТФ витрачається на синтез з CO2 вуглеводної молекули.
Головну роль тут відіграє фермент, якого скорочено звуть РуБісКо (а взагалі - рибулозобісфосфаткарбоксілаза). РуБісКо приєднує молекулу вуглекислого газу до допоміжної молекули рібулозо-1,5-бісфосфат, і сполучення підхоплюють інші ферменти. Тобто РуБісКо - той самий, хто втягує СО2 в органічне життя.
Але працює цей фермент повільно, навіть занадто повільно - він використовує всього 5-10 молекул на хвилину. Власне, він обмежує зростання рослин: якби РуБісКо працював швидше, то і біомаса приростала швидше (хоча РуБісКо є не тільки у рослин). І ось кілька років тому дослідники з Інституту наземної мікробіології Товариства Макса Планка модифікували один з бактеріальних ферментів РуБісКо так, що він став працювати в 10 разів швидше. Крім того, модифікований фермент доповнили ще шістнадцятьма ферментами з дев'яти різних організмів, щоб всі разом вони утворили єдиний ланцюжок - вийшов CETCH-цикл (CETCH - абревіатура з назв різних проміжних речовин, які виходять в ході циклу).
Наступним кроком було з'єднати CETCH-цикл зі світловою фазою. Для цього взяли тілакоїдні мембрани з листя шпинату. Тілакоїди - мембранні бульбашки, які знаходяться в хлоропластах; мембрани тілакоїди посаджені ферментами, які виконують світлозалежні реакції фотосинтезу. Відомо, що тілакоїди можуть жити і працювати поза рослинною кліткою, і в статті в Science описано, як тілакоїди вдалося поєднати з білками прискореного CETCH-циклу.
Ферменти CETCH і тілакоїди укладали в крихітні водяні крапельки; пропорції ферментів у цих краплях можна було змінювати на власний розсуд, і виробляти тисячі мікрокапель з однаковим складом. У підсумку вдалося оптимізувати загальний рецепт так, щоб темновий CETCH-цикл і світлові реакції тілакоїдів поєднувалися один з одним з найбільшою ефективністю. З енергетичної точки зору поліпшений фотосинтез виявився в середньому на 20% ефективнішим, ніж фотосинтез рослин.
Тут потрібно уточнити, що CETCH-фотосинтез закінчувався не глюкозою - в крапельках виходила гліколова, або гідроксиуксусна, кислота. Втім, тут важливо те, що вуглекислий газ в принципі вдалося втягнути в органічні сполуки, і що це виходить робити з набагато більшою ефективністю, ніж у звичайних рослин.
Гліколеву кислоту використовують у різних господарських галузях, з неї можна робити інші органічні речовини, так що мікрокаплі з поліпшеним фотосинтезом можуть стати звичайною справою на підприємствах органічного синтезу (де вони заодно будуть поглинати велику кількість вуглекислого газу).
Крім того, автори роботи не виключають, що весь процес можна модифікувати так, щоб на виході виходила якась інша органіка - наприклад, молекули-попередники ліків, або рослинні гормони, або що-небудь ще. Правда, тут варто пам'ятати і про економічну вигоду: все-таки рослинні мембрани, які працюють в мікрокаплях, не дуже довговічні, а отримувати їх заново з того ж шпинату - не дуже просте завдання. Втім, може бути і мембрани вдасться замінити на щось штучне і недороге.