Naukowcy z UW tworzą sztuczną fotosyntezę. Chcą wykorzystać energię słoneczną do produkcji „paliwa przyszłości”

Naukowcy z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego prowadzą badania nad sztuczną fotosyntezą. Chcą dowiedzieć się, jak gospodarują energią organizmy poddawane działaniu ekstremalnych bodźców środowiskowych. W tym celu badają aparat fotosyntetyczny czerwonej mikroalgi, która potrafi przetrwać w warunkach podobnych do tych panujących na Ziemi kilka miliardów lat temu. Ich prace mogą pozwolić na sterowanie procesem fotosyntezy, co może przyczynić się np. do spopularyzowania paliwa wodorowego.

Laboratorium Fotosyntezy i Paliw Słonecznych w Centrum Nowych Technologii UW od dwóch lat pracuje nad sztuczną fotosyntezą. Naukowcy badają aparat fotosyntetyczny czerwonej mikroalgi – jednokomórkowego krasnorostu o nazwie Cyanidioschyzon merolae, który świetnie prosperuje nawet w wyjątkowo niekorzystnych warunkach – podobnych do tych, które panowały na Ziemi kilkaset milionów lat temu. Wówczas atmosfera nie zawierała w ogóle wolnego tlenu.

– Glon ten został wyizolowany z ekstremofilnych warunków, takich jak wysokozasiarczone kwaśne źródła wulkaniczne o wysokiej temperaturze. Żyje w bardzo niskim pH oraz w podwyższonej temperaturze. Podobne warunki panowały na początku życia na naszej planecie, dlatego bardzo nas interesuje, w jaki sposób ten glon sobie radzi pod względem metabolizmu i procesu fotosyntezy w warunkach tak nieprzyjaznych dla człowieka – mówi agencji informacyjnej Newseria Innowacje prof. Joanna Kargul, kierownik Laboratorium Fotosyntezy i Paliw Słonecznych z Centrum Nowych Technologii UW.

Sztuczna fotosynteza polega na imitowaniu wczesnych procesów naturalnej fotosyntezy przy użyciu najprostszych substratów, takich jak woda i dwutlenek węgla. Cały proces jest napędzany energią słoneczną, podobnie jak w naturalnej fotosyntezie. W procesie naturalnej fotosyntezy pod wpływem absorbcji światła słonecznego następuje rozszczepienie cząsteczek wody do biologicznego "wodoru", czyli protonów i elektronów. Innymi produktami tej reakcji jest tlen cząsteczkowy, który zapewnia atmosferę tlenową na naszej planecie, a także węglowodany (glukoza).

– Bez fotosyntezy nie byłoby życia na naszej planecie. Mówi się, że fotosynteza tlenowa, oksygeniczna - to Big Bang ewolucji, ponieważ po powstaniu atmosfery na naszej planecie, tempo ewolucji nabrało ogromnej prędkości. Rozwinęło się życie tlenowe, wielokomórkowe i biosfera, taka jaką ją w tej chwili znamy. To wszystko mogło zajść dzięki procesowi oksygenicznej fotosyntezy, którą zajmuje się moje laboratorium – tłumaczy prof. Joanna Kargul.

Naukowcy z CeNT Uniwersytetu Warszawskiego prowadzą badania na jednokomórkowych mikroalgach, ponieważ te - w odróżnieniu od roślin wyższych - są hodowane w kontrolowanych warunkach: w stałej temperaturze, wilgotności i przy stałym natężeniu światła. Dzięki temu naukowcy mogą ściśle kontrolować warunki eksperymentalne.

– Dodatkowym atutem pracy nad jednokomórkowymi glonami jest to, że możemy hodować bardzo duże objętości tych alg. W moim laboratorium mamy hodowlę do 20 litrów takich mikroorganizmów. W industrialnych aplikacjach algi hodowane są nawet w objętościach stulitrowych, zdarzają się również farmy alg w których objętości są naprawdę kolosalne. W naszym laboratorium hodujemy je w postaci dwudziestolitrowych zawiesin komórkowych – mówi prof. Joanna Kargul.

Celem badań naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego jest poznanie mechanizmów fotoprotekcji i gospodarki energią u organizmów, które są poddawane działaniu ekstremalnych bodźców środowiskowych. Może to stworzyć nowe możliwości sterowania fotosyntezą i znaleźć zastosowanie np. w rolnictwie.

Poznanie mechanizmów działania fotosyntezy ma pozwolić na konstrukcję fotoogniw paliwowych zbudowanych z biologicznych katalizatorów do utleniania wody i wytwarzania tzw. paliw słonecznych (wodoru i odnawialnych paliw węglowych) pod wpływem absorpcji światła widzialnego. Te międzynarodowe, wysoko interdyscyplinarne badania, prowadzone są od 2011 r. - najpierw w ramach konsorcjum, które zrzeszało osiem najlepszych w Europie laboratoriów naturalnej i sztucznej fotosyntezy, a obecnie w formie bilateralnego projektu polsko-tureckiego GraphESol.

– Atrakcyjność naszego podejścia badawczego polega na połączeniu naturalnej fotosyntezy z nowoczesnymi materiałami o bardzo atrakcyjnych właściwościach. Mówię tu o grafenie, który z całą pewnością jest materiałem przyszłości, mówi się, że nadchodzi era grafenowa. Obecnie żyjemy w erze krzemowej, natomiast era grafenowa jest tuż za rogiem – mówi prof. Joanna Kargul.

Projekt dotyczący "charakterystyki struktury i funkcji aparatu fotosyntetycznego z ekstremofilnej czerwonej mikroalgi Cyanidioschyzon merolae" uzyskał z Narodowego Centrum Nauki finansowanie w wysokości niemal 1,7 mln zł w ramach konkursu Opus.