Защита ресурсов от повреждения кислородом

Кислород, жизненно важный для жизни на планете, имеет разрушительную сторону, которая вредит растениям и производству биотоплива. Поэтому Управление научных исследований Министерства энергетики США поддерживает исследования по обузданию этой темной стороны кислорода.

Более 2 миллиардов лет кислород от водорослей, а позже — деревьев, кустарников и других растений — распространялся по планете и вступал в реакции почти со всем. «Элемент кислород распространен во Вселенной, — говорит Стивен Герберт, руководитель программы «Фотосинтетические системы» в Управлении научных исследований Министерства энергетики США. — Однако в газообразном виде его обычно не встретишь, кроме как на Земле».

Когда уровень этого безвкусного, бесцветного газа без запаха начал расти, он окислил растворенное в океанах железо. Затем газ начал накапливаться, формируя защитный озоновый слой планеты и, в конечном итоге, став дыхательной атмосферой, которую мы знаем сегодня.

Кислород участвует в реакциях повсюду вокруг нас. Он жизненно важен для создания энергии, питающей клетки в наших телах и в растениях.

Защита природных фабрик фотосинтеза

Внутри розовых кустов и других зеленых растений фотосинтез зависит от сложного белкового комплекса, называемого Фотосистема II. Эти белки жизненно важны для цепочки реакций, которые поглощают воду, углекислый газ и солнечный свет для производства кислорода и энергии — реакции, известной как фотосинтез.

Но если растение получает слишком много света, эта критически важная группа белков начинает производить реактивные кислородсодержащие молекулы, такие как перекись водорода (обычная шипучая антисептическая жидкость), которые наносят растению ущерб. Поиск ответов на вопросы, почему это происходит и как это остановить, побудил Терри Брикера из Университета штата Луизиана и его коллег определить точный механизм работы этих реактивных молекул. Начиная со шпината, команда изолировала Фотосистему II — белковый комплекс, производящий кислород в нашем воздухе. Они подвергли этот кластер белков воздействию большого количества солнечного света, по сути, вызвав у него «солнечный ожог». «Только когда он получает "солнечный ожог", он производит реактивные молекулы кислорода, которые могут повредить фотосинтез», — сказал Брикер.

Брикер и его команда обнаружили, что реактивные молекулы кислорода атакуют определенные аминокислоты — строительные блоки в Фотосистеме II. При избытке света кислород атакует множество аминокислот, по сути парализуя белок и замедляя рост растения.

Это проблема при выращивании биомассы для топлива или сельскохозяйственных культур для питания людей.

Понимание механизма атаки кислорода на растения может помочь усилить природные защитные механизмы. Исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Калифорния) и Университета Иллинойса смогли помочь предотвратить повреждение растений кислородом, останавливая вредные реакции на более раннем этапе процесса. Они изменили экспрессию определенных генов у растений, что позволило повысить эффективность фотосинтеза и избежать образования вредной перекиси водорода и других молекул.

Команда нацелилась на три гена — фрагменты генетического материала, формирующие хромосомы растения. Эти гены участвуют в защите растений от чрезмерного воздействия солнечного света. Усилив экспрессию этих генов, команда наблюдала 20-процентное увеличение роста растений без дополнительного полива или удобрений. «Еще недавно мы считали это невозможным», — сказал Герберт. Это доказательство возможности улучшения фотосинтеза было поддержано грантом в 25 миллионов долларов от Фонда Билла и Мелинды Гейтс. Изучение кислорода и фотосинтеза в объеме, достаточном для разработки такого улучшения, поддерживалось грантами от Управления научных исследований Министерства энергетики США и другого финансирования фундаментальной науки на протяжении более десяти лет.

Нацеливание на нарушителей спокойствия

При использовании растений для создания топлива удаление правильных атомов кислорода из глюкозы — сахаристого топлива, образующегося в результате фотосинтеза, — является сложной задачей. Проблема в том, что кислород составляет примерно половину молекулы глюкозы. Ученым необходимо удалить именно те атомы кислорода, чтобы получить энергоемкое топливо, а не слабые заменители.

Удаление нужных атомов из глюкозы и создание пригодного топлива или химического прекурсора обычно требует двух реакций. Ученые удаляют атом кислорода из глюкозы, создавая химическое вещество с аббревиатурой HMF. Затем они используют вторую реакцию для удаления другого атома кислорода и создания немного другой молекулы под названием DMF, и вот здесь начинаются сложности. Материалы, катализирующие реакции для создания DMF, могут быть слишком активными. Они не останавливаются после производства DMF. Они удаляют больше кислорода. Они продолжают реагировать и превращают DMF в нежелательные продукты.

Исследователи попробовали другой подход. Вместо того чтобы пытаться обуздать один агрессивный катализатор (материал, который запускает реакцию, но не расходуется в ней), они дали ему партнера. Добавит ли второй «мистер Хайд» стабильности или хаоса? Помешает или поможет?

Исследователи покрыли тонким слоем кобальта крошечные частицы платины. Когда HMF проходит через катализатор, кобальт блокирует кислородсодержащее кольцо HMF, предотвращая его нежелательные реакции. В то же время кобальт «помечает» мишени на молекуле HMF. Платина находит эти мишени, удаляет целевые атомы кислорода и создает топливо DMF.

Эта смесь «была намного стабильнее, чем любой из чистых металлов», — сказал Раймонд Дж. Горте, профессор Пенсильванского университета. Горте и его коллеги являются частью Каталитического центра энергетических инноваций — исследовательского центра Energy Frontier Research Center, финансируемого Управлением научных исследований Министерства энергетики США и базирующегося в Университете Делавэра.

Сейчас они изучают другие комбинации металлов, не включающие дорогие драгоценные металлы. «Это катализатор, который ждет коммерчески жизнеспособного процесса», — сказал Горте.

Поиск понимания продолжается

Знание того, что определяет поведение кислорода, имеет решающее значение для получения желаемого результата — будь то уменьшение отходов при производстве биотоплива или улучшение сырья для биотоплива за счет управления фотосинтезом. «Если фотосинтез остановится, весь кислород в атмосфере будет израсходован в химических реакциях, — сказал Герберт. — Дышать будет нечем». Фотосинтез — это добрый доктор Джекил в облике кислорода, которого все хотят видеть на своем викторианском ужине. Задача ученых, судя по всему, — вернуть контроль над озорной личностью мистера Хайда, скрывающейся в кислороде.