Гибрид микроводорослей и материалов способствует углеродной нейтральности

Микроводоросли, включая цианобактерии и зеленые водоросли, — важнейшие биологические системы для производства биомассы и ценных продуктов. Они фиксируют около 90 млрд тонн CO₂ в год, что составляет более 40% глобального чистого фотосинтетического связывания углерода.

С усилением глобального потепления и постановкой целей по сокращению выбросов углерода в Китае роль фотосинтеза микроводорослей привлекает всё больше внимания. Использование их фотосинтетической энергии — перспективный подход для энергетического перехода.

Однако основное ограничение производства биотоплива из микроводорослей — низкий КПД фотосинтеза. Обычно лишь около 4–8% световой энергии преобразуется в химическую энергию биомассы (теоретический максимум — 9%). Этого недостаточно для покрытия энергетических потребностей человечества.

Методы генной и метаболической инженерии для повышения КПД сложны, дороги и имеют узкую область применения.

В природе организмы образуют органическо-неорганические композиты со сложной структурой и отличными свойствами через биоминерализацию (кости, зубы, раковины). Эти биоматериалы имеют иерархическую структуру от нано- до макроуровня, обеспечивая механическую поддержку, защиту и другие функции.

На фоне этого явления искусственные гибриды клеток и материалов вызывают растущий интерес. Ученые вдохновляются идеей объединить фотосинтезирующие организмы с синтетическими материалами, чтобы придать им новые свойства.

Профессор Вэй Сюн (Университет Наньчана) и профессор Руйкан Тан (Чжэцзянский университет) определили такие искусственные биоморфы как гибрид микроводорослей и материалов (MMH), основанный на микроскопических взаимодействиях (химические связи, нековалентные силы). Их исследование опубликовано в National Science Review.

За последнее десятилетие ученые исследовали три подхода к созданию MMH:

1. Иммобилизация клеток
2. Оболочечное покрытие одиночных клеток
3. Многоклеточная агрегация

MMH уже достигли значительных успехов в областях:

• Фиксация CO₂
• Производство H₂
• Биоэлектрохимическое преобразование энергии
• Биомедицинская терапия

Ключевая проблема MMH — взаимодействие микроводорослей и материала. Оно имеет два аспекта:

1. Материал-индуцированное построение гибрида
2. Материал-обеспеченное улучшение функции микроводорослей

С точки зрения построения гибрида, химический механизм — соединение микроводорослей с материалом через межмолекулярные силы, ковалентные или координационные связи, формируя биотико-абиотический интерфейс. Материалы влияют на функции клеток, вмешиваясь в перенос вещества и энергии между клеткой и внешней средой.

Неорганические материалы соединяются с клетками в основном через координационные связи и межмолекулярные силы, органические — через ковалентные связи и межмолекулярные силы.

Исследователи предлагают два механизма улучшения функции микроводорослей материалом:

1. Перенос электронов между микроводорослями и материалом
2. Материал-индуцированная трансформация клеточного микроокружения

Текущие ограничения MMH для преобразования фотосинтетической энергии:

• Низкий КПД преобразования энергии, что затрудняет практическое применение для углеродной нейтральности
• Высокая стоимость культивирования микроводорослей
• Отсутствие технологий материалов, подходящих для крупномасштабной инженерии микроводорослей

Будущая цель фундаментальных исследований — повышение энергетической эффективности преобразования.

Исследования MMH могут не только способствовать применению химии и материаловедения в биологии, но и дать новые перспективы для биологических и экологических наук, потенциально породив новую дисциплину — Материальную биологию.

Прорыв в эффективности фотосинтетического преобразования энергии позволит MMH значительно продвинуть применение в фиксации CO₂ и производстве H₂, внеся большой вклад в достижение углеродной нейтральности.