Bioteknik innebär att dra nytta av eller imitera sinnrika naturliga processer och system som utvecklats under miljoner år av evolution, främst bland mikroorganismer.
Med hjälp av en vätgas-ätande mikroorganism har nu forskare vid Harvard University lyckats konstruera ett syntetiskt blad med förmågan att omvandla solljus till bränsle – i en process som imiterar fotosyntesen. Nyckelfaktorn: Bakterien Raistonia eutropha, som får utföra de svårimiterade biologiska omvandlingar som sker då koldioxid fixeras i energirika biomolekyler.
“Det förträffliga med biologin är att den är världens främsta kemist – biologi kan utföra kemi som är svår för oss.”, säger Pamela Silver, en av “bladets” utvecklare, till Harvard Gazette.
Det konstgjorda fotosyntetiska systemet skulle kunna möjliggöra ren, soldriven tillverkning av en mängd olika biokemiska molekyler – användbara som bränsle eller som biologiskt nedbrytbara material – ur vatten och luftens koldioxid.
Den naturliga fotosyntesen – och den supereffektiva, biotekniska
Fotosyntesen kan mycket, mycket förenklat beskrivas med hjälp av följande kemiska formel:
6 H2O (vatten) + 6 CO2 (koldioxid) + ljusenergi → C6H12O6 (druvsocker) + 6 O2 (syre)
Ekvationen ger en överskådlig bild av ett komplicerat evolutionärt mästerverk – en lång serie stegvisa reaktioner som kräver närvaron av en mycket stor mängd olika biologiska molekyler för att kunna utföras.
Livets processer drivs med elektrisk ström, i mycket liten skala! För att ett flöde av elektroner ska kunna strömma genom ett biologiskt system fodras en serie proteinkomplex (enzymer) som kan härbärgera och förflytta dem, samt lagra den energi som frigörs i en användbar form. Den ursprungliga energi som måste tillföras systemet utifrån kommer från solljuset. Energin, omvandlad till strömmande elektroner, driver sedan övriga reaktioner som sker i växten.
Ett enzym spjälkar vattenmolekyler i beståndsdelarna väte och syre. Syret diffunderar ut och försvinner, men vätet används vidare. I en efterföljade reaktion fixeras koldioxid från luften och byggs in i energirika biomolekyler. Detta är givetvis oerhört svårt – för att inte säga omöjligt – att imitera. Men med hjälp av en mikroorganism kan systemet till och med förbättras och effektiviseras!
I det syntetiska bränsleproducerande bladet har oorganiska komponenter sammanfogats med levande mikroorganismer: Energin från solceller driver spjälkingen av vatten med hjälp av en oorganisk katalysator (innehållande kobolt och fosfor). Den vätgas som frigörs konsumeras av bakterier som sedan omvandlar koldioxid till bränsle. Resultatet är tio gånger mer effektivt än den naturliga fotosyntesen. Solenergi omvandlas till biomassa med en tioprocentig effektivitet, att jämföra med de mest snabbväxande växternas, som sällan överstiger en (1) procent.
“Om man tänker efter så är fotosyntesen något fantastiskt. Den tar solljus, vatten och luft – och sedan: se på ett träd. Vi gjorde exakt samma sak, men avsevärt bättre, eftersom vi omvandlar all denna energi till bränsle.”, förklarar Daniel Nocera, pionjär inom utvecklingen av konstgjord fotosyntes och grön energiproduktion.
Denna extrem-effektiva biotekniska lösning har potentialen att lösa världens bränsleproblem. Samtidigt kan vi njuta av de gröna växternas underbara resursslöseri: trädets ovilja att absorbera ljus av den våglängd vi uppfattar som “grönt”. Optimal absorption av hela det synliga ljusspektrumet skulle innebära svarta växter – en närmast olidlig tanke.
Källa:
Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis, Chong Liu, Brendan C. Colón, Marika Ziesack, Pamela A. Silver, Daniel G. Nocera. Science, 03 Jun 2016: Vol. 352; 6290, pp. 1210-1213.
