Новый синтетический фотосинтез эффективно производит метан из растений

Благодаря фотосинтезу растения способны превращать углекислый газ (CO2) и воду в углеводы. Для этого они используют энергию солнца. На протяжении долгих лет исследователи работали над тем, чтобы позаимствовать механизмы природного фотосинтеза, чтобы можно было перерабатывать углекислый газ и воду, получая метанол и этанол, которым могут служить топливом. Однако настроить этот сложный процесс таким образом, чтобы он работал на нужды человека, не так и просто.

Процесс фотосинтеза довольно сложный. Кратко описать его можно с помощью двух этапов: сначала происходит расщепление воды и CO2, а затем — повторное соединение атомов в углеводы. Авторы работы, опубликованной в журнале Nature Catalysis, разрабатывали систему, в которой реакции, происходящие в ходе фотосинтеза, перестраивались. Их задачей было выстроить схему, которая в конечном итоге позволила бы производить метан, или CH4, представляющий собой углерод, окруженный четырьмя молекулами водорода.

Ученые начали с разработки металлоорганического каркаса — он напоминает паутину из заряженных атомов металла, связанных между собой органическими молекулами (так как в их составе есть углерод). Отдельные монослои каркаса исследователи поместили в раствор на основе кобальта, так как тот хорошо улавливает электроны и перемещает их во время химических реакций. Затем в смесь были введены аминокислоты — строительные блоки белков. Аминокислоты в конечном итоге повысили эффективность обеих сторон реакции, расщепляя CO2 и воду и восстанавливая их в виде метана.

До этого был разработан ряд искусственных систем, повторяющих каталитическую активность природных ферментов при фотосинтезе. Но они в основном ограничивались  катализом относительно простых реакций из-за возможности имитировать только активные металлические центры природных ферментов без включения проксимальных аминокислот или кофакторов.

В данном случае за счет включения центров активных металлов, проксимальных аминокислот и других кофакторов в настраиваемый монослой металлоорганического каркаса система оказалась в 10 раз эффективнее, чем предыдущие методы искусственного фотосинтеза.

Однако новый метод все еще недостаточно эффективен — он не позволяет производить необходимое количество метана для использования его человеком в качестве топлива. Авторы разработки говорят, что потребуется масштабировать технологию, чтобы производить достаточное количество метана для потребления людьми. Но очень важно, что ученые в ходе исследования смогли определить, как система работает на молекулярном уровне, — раньше процесс не был полностью изучен.

Однако у нового метода уже есть возможные сферы применения. Так, хотя система сейчас недостаточно эффективна для заправки транспорта или отопления, ее уже можно использовать для других целей, не требующих большого объема конечного продукта. Например, она подойдет для производства основных химикатов для фармацевтических препаратов.