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Treibstoff aus Photosynthese

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Ich habe gelesen, wie Pflanzen Sonnenlicht, CO2 und andere Dinge nutzen, um Energie zu gewinnen. Warum können wir also nicht künstlich hergestellte Bio-Solarzellen herstellen, die Sonnenlicht, C02, Wasser und andere Dinge aufnehmen und uns Energie (vielleicht Strom oder Wärme usw.) liefern. Anstelle von Solarpaneelen aus Silizium oder ähnlichem können wir also grundsätzlich Biopaneele aus organischen Materialien haben. Dann müssen wir es mit Wasser versorgen und es wird Sonnenlicht in Strom umwandeln.

Ich habe das im Internet gegoogelt und dazu nichts passendes gefunden. Ich gehe also davon aus, dass es einen sehr guten Grund dafür geben muss, dass wir dies nicht versuchen. Ich möchte wissen, ob es diesbezüglich Forschungen gibt und wenn nicht, warum diese Idee nicht umsetzbar ist.


Was Sie vorschlagen, ist ein organischer Photosyntheseapparat, aber das ist nicht notwendig, wenn Sie bereits Pflanzen haben, die sich über Millionen von Jahren genetisch angepasst haben, um genau für diesen Zweck geeignet zu sein. Natürlich existiert bereits künstliche Photosynthese, die im Wesentlichen den gleichen Prozess verwendet: Photonen, Chloroplasten, Calvin-Zyklus, Photosysteme 1 und 2 usw verwendet h20 und Licht. Sie fragen, warum wir keine gentechnisch veränderte organische Substanz entwickelt haben, um eine höhere Effizienz zu erzielen. Tatsächlich existieren GVO-Pflanzen bereits mit Immunität, obwohl ich noch nie von GVO gehört habe, die photosynthetische Reaktionen katalysieren, und Am besten nicht, denn Gentechnik ist immer noch ein neues Gebiet, das zu komplex ist, zum Beispiel besteht die allgemeine GVO darin, das bakterielle Enzym cas9 einzubauen, um bestimmte DNA abzuspalten, um das Genom eines Organismus zu verändern, wie zum Beispiel die Hemmung von Rezeptoren für Cannabinoide, oder Schädlinge mit Substanzen zu bekämpfen, die für den Menschen nicht schädlich sind, etc. Aber es hat Konsequenzen, wie zum Beispiel die Permanenz dieses bearbeiteten Genoms, also wenn sich der Organismus/die Pflanze reproduziert , würden die Nachkommen auch die gleichen GVO-Eigenschaften aufweisen. Photosynthese ist eine komplizierte Reihe von Reaktionen, die komplizierte Enzyme und dergleichen verwendet. Zum Beispiel das Enzym Rubisco, das CO2 in energiereiche Moleküle wie Glukose umwandelt, aus sehr instabilen Phosphoglyceraten. CO2, H20 und Licht, nicht sicher, ob es biologische Nährstoffe wie Boden verwendet, aber der Prozess verwendet auch Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat oder NADP +. Es wird für anabole Reaktionen verwendet, baut also Moleküle auf, umgekehrt sind katabole Reaktionen ist, wenn Enzyme Lipide und Moleküle im Stoffwechsel abbauen. Obwohl ich nicht sicher bin, ob dieses Molekül den gleichen Zweck in der künstlichen Photosynthese hat, aber für die allgemeine Photosynthese ja. NADP+ absorbiert auch Elektronen für unabhängige und abhängige Reaktionen, um ATP und NADPH zu erzeugen ,etc. Ich hoffe, dies vereinfacht einiges. SCHLUSSFOLGERUNG: Wir haben künstliche Photosynthese, aber die gentechnisch veränderte Photosynthese kann für die Vererbung einer Pflanze schädlich sein, wenn wir ihr Genom beschädigen und potenzielle Schäden verursachen. Künstlich ist dem organischen ziemlich ähnlich, also denke ich, dass es sich um Biopanels handelt, die h20, CO2 und Licht verwenden.


Menschengemachte Photosynthese, um die Nahrungs- und Energieproduktion zu revolutionieren

Die Verbesserung der natürlichen Photosynthese zur Herstellung neuer Kraftstoffe und zur Steigerung der Pflanzenproduktion steht im Mittelpunkt der vom Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) finanzierten Forschung, die auf der Jahrestagung der American Association for the Advancement of Science (AAAS) am 17. Februar vorgestellt wurde näher an der Abfüllung der Sonnenenergie oder der Turboaufladung von Anlagen, um Rekordernten zu produzieren.

Die Photosynthese ermöglicht es biologischen Systemen, Energie aus der Sonne zu gewinnen und sie zur Herstellung von Nahrung und Treibstoff zu verwenden. Es ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse auf der Erde, aber er ist nicht so effizient, wie er sein könnte. Natürliche Kompromisse führen bei vielen wichtigen Nutzpflanzen zu einer Effizienz von weniger als 1 %, und es besteht daher erheblicher Spielraum für Verbesserungen.

Wissenschaftler aus Großbritannien und den USA arbeiten daran, die Photosynthese zu entwickeln oder zu verbessern, um die Nahrungsmittel- und Kraftstoffproduktion zu fördern.

Professor Douglas Kell, Chief Executive von BBRSC, erklärt, warum die Finanzierung dieser Forschung so wichtig ist: „Wir stehen vor globalen Herausforderungen in der Ernährungs- und Energiesicherheit, die angegangen werden müssen. Die Verbesserung der Photosynthese in Pflanzen oder der externe Einsatz synthetischer Biologie würde enorme Vorteile bringen.“

Das künstliche „Blatt“

Professor Richard Cogdell von der Universität Glasgow verfolgt einen Ansatz der synthetischen Biologie, um ein künstliches „Blatt“ zu schaffen, das die Sonnenenergie in flüssigen Brennstoff umwandeln kann.

Professor Cogdell erklärt: „Die Sonne gibt ihre Energie kostenlos ab, aber es ist schwierig, sie zu nutzen. Wir können Sonnenkollektoren verwenden, um Strom zu erzeugen, aber er ist zeitweilig und schwer zu speichern. Wir versuchen, die Energie der Sonne zu entnehmen und fangen Sie es ein, damit es verwendet werden kann, wenn es am meisten gebraucht wird."

Die Forscher hoffen, eine chemische Reaktion ähnlich der Photosynthese nutzen zu können, jedoch in einem künstlichen System. Pflanzen nehmen Sonnenenergie auf, konzentrieren sie und nutzen sie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Sauerstoff wird freigesetzt und der Wasserstoff wird in einen Kraftstoff eingeschlossen. Die neueste Forschung zielt darauf ab, den Prozess mithilfe der synthetischen Biologie nachzubilden.

Professor Cogdell fügte hinzu: "Wir arbeiten daran, ein analoges robustes chemisches System zu entwickeln, das die Photosynthese im großen Stil künstlich nachbilden könnte. Dieses künstliche Blatt würde Sonnenkollektoren schaffen, die im Gegensatz zu Elektrizität einen Brennstoff produzieren."

Das künstliche System könnte auch die natürliche Photosynthese verbessern, um die Sonnenenergie besser zu nutzen. Durch Zurückführen der Photosynthese auf ein Niveau basischer Reaktionen könnten viel höhere Energieumwandlungsgrade möglich sein.

Letztendlich könnte der Erfolg dieser Forschung die Entwicklung einer nachhaltigen kohlenstoffneutralen Wirtschaft ermöglichen, die den Anstieg des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe aufhält.

„Turboaufladende“ Photosynthese

Professor Howard Griffiths, University of Cambridge, hofft auch, das Potenzial der Photosynthese zu verbessern, indem er sich auf ein Enzym namens RuBisCO (Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase-Oxygenase) konzentriert. Es ist ein Schlüsselenzym der Photosynthese, das es Pflanzen ermöglicht, atmosphärisches Kohlendioxid zu verwenden, um energiereiche Moleküle wie Einfachzucker zu erzeugen.

Einige Pflanzen haben Mechanismen entwickelt, die wie biologische Turbolader wirken, um Kohlendioxid für eine optimale Photosynthese um das Enzym herum zu konzentrieren. Dies fördert Wachstum und Produktion. Die Forschung von Professor Griffiths entwickelt ein tieferes Verständnis dieser biologischen Turbolader, damit sie eines Tages in Pflanzen eingesetzt werden können, um die Erträge zu steigern.

Professor Griffiths erklärt: „Wir wollen die Betriebseffizienz von RuBisCO in Pflanzen verbessern und glauben, dass Algen eines Tages die Antwort liefern könnten. Ihr Turbolader ist in einer Struktur namens Algenpyrenoid enthalten, die in den photosynthetischen Strukturen einer Pflanze verwendet werden könnte Algen- und Pflanzenphotosynthese zur Verbesserung der Photosyntheseeffizienz würden wir eine Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität für die Produktion von Nahrungsmitteln und erneuerbarer Energie sehen."

„Verschwendete“ Sonnenenergie einfangen

Professor Anne Jones von der Arizona State University sucht nach anderen Wegen, um sicherzustellen, dass die Sonnenenergie nicht verschwendet wird.

Cyanobakterien (Bakterien, die ihre Energie aus der Photosynthese beziehen) können viel mehr Sonnenenergie aufnehmen als sie nutzen können. Die Forschung von Professor Jones versucht, einen Mechanismus zu entwickeln, um diese überschüssige, verschwendete Energie zu nutzen, indem sie in eine Brennstoffzelle übertragen wird.

Professor Jones sagte: „Wir wollen den Photosyntheseapparat einer Bakterienart an den treibstoffproduzierenden Stoffwechsel einer zweiten Spezies koppeln. Wir könnten dann überschüssige Energie direkt in die Treibstoffproduktion einleiten die Energie der Sonne."

Eine einfache Analogie ist ein Kraftwerk, das nicht an das Verteilnetz angeschlossen ist. Ohne Verbindung geht die überschüssige Energie verloren. Die Forscher hoffen, eine Verbindung herstellen zu können, die diese Energie zur Herstellung von Kraftstoff überträgt. Diese Verbindung könnte durch haarähnliche elektrisch leitende Filamente, die Pili genannt werden, bereitgestellt werden.

Professor Jones erklärt: "Bestimmte Bakterien bilden von Natur aus leitfähige Fäden, die Pili genannt werden. Diese Pili könnten genutzt werden, um Energie zwischen den Zellen zu übertragen, die wir verwenden möchten."


Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoffkraftstoff mit Hilfe der Photosynthese

Kredit: CC0 Public Domain

Das globale Wirtschaftswachstum geht mit einem steigenden Energiebedarf einher, aber die Steigerung der Energieproduktion kann eine Herausforderung darstellen. Kürzlich haben Wissenschaftler einen Rekordwirkungsgrad für die Umwandlung von Solarenergie in Kraftstoff erreicht, und jetzt wollen sie die Maschinerie der Photosynthese integrieren, um sie weiter voranzutreiben. Die Forscher werden ihre Ergebnisse heute auf dem Virtual Meeting & Expo im Herbst 2020 der American Chemical Society (ACS) präsentieren.

"Wir wollen ein photokatalytisches System herstellen, das Sonnenlicht nutzt, um chemische Reaktionen von ökologischer Bedeutung voranzutreiben", sagt Lilac Amirav, Ph.D., die leitende Forscherin des Projekts.

Konkret entwickelt ihre Gruppe am Israel Institute of Technology einen Photokatalysator, der Wasser in Wasserstoff als Treibstoff zerlegen kann. „Wenn wir unsere stäbchenförmigen Nanopartikel in Wasser legen und sie mit Licht beleuchten, erzeugen sie positive und negative elektrische Ladungen“, sagt Amirav. „Die Wassermoleküle brechen die negativen Ladungen, produzieren Wasserstoff (Reduktion), und die positiven Ladungen erzeugen Sauerstoff (Oxidation). Die beiden Reaktionen, an denen die positive und die negative Ladung beteiligt sind, müssen gleichzeitig ablaufen. Ohne die positiven Ladungen auszunutzen, müssen die negativen Ladungen können nicht geleitet werden, um den gewünschten Wasserstoff zu erzeugen."

Gelingt es den positiven und negativen Ladungen, die sich anziehen, zu rekombinieren, heben sie sich gegenseitig auf und die Energie geht verloren. Um sicherzustellen, dass die Ladungen weit genug voneinander entfernt sind, hat das Team einzigartige Heterostrukturen aufgebaut, die aus einer Kombination verschiedener Halbleiter zusammen mit Metall- und Metalloxidkatalysatoren bestehen. Mithilfe eines Modellsystems untersuchten sie die Reduktions- und Oxidationsreaktionen getrennt und veränderten die Heterostruktur, um die Kraftstoffproduktion zu optimieren.

Im Jahr 2016 entwarf das Team eine Heterostruktur mit einem kugelförmigen Cadmium-Selenid-Quantenpunkt, der in ein stabförmiges Stück Cadmiumsulfid eingebettet war. An der Spitze befand sich ein Platinmetallpartikel. Das Cadmium-Selenid-Partikel zog positive Ladungen an, während sich negative Ladungen an der Spitze ansammelten. "Durch die Anpassung der Größe des Quantenpunktes und der Länge des Stabes sowie anderer Parameter haben wir eine 100%ige Umwandlung von Sonnenlicht in Wasserstoff durch Wasserreduktion erreicht", sagt Amirav. Ein einzelnes Photokatalysator-Nanopartikel kann 360.000 Wasserstoffmoleküle pro Stunde produzieren, bemerkt sie.

Die Gruppe veröffentlichte ihre Ergebnisse im ACS-Journal Nano-Buchstaben. Aber in diesen Experimenten untersuchten sie nur die Hälfte der Reaktion (die Reduktion). Für eine ordnungsgemäße Funktion muss das photokatalytische System sowohl Reduktions- als auch Oxidationsreaktionen unterstützen. "Wir wandelten Sonnenenergie noch nicht in Treibstoff um", sagt Amirav. "Wir brauchten noch eine Oxidationsreaktion, die dem Quantenpunkt kontinuierlich Elektronen zur Verfügung stellt." Die Wasseroxidationsreaktion läuft in einem mehrstufigen Prozess ab und bleibt daher eine große Herausforderung. Außerdem scheinen seine Nebenprodukte die Stabilität des Halbleiters zu beeinträchtigen.

Gemeinsam mit Mitarbeitern erforschte die Gruppe einen neuen Ansatz – die Suche nach verschiedenen Verbindungen, die anstelle von Wasser oxidiert werden könnten –, die sie zu Benzylamin führten. Die Forscher fanden heraus, dass sie Wasserstoff aus Wasser herstellen und gleichzeitig Benzylamin in Benzaldehyd umwandeln können. „Mit dieser Forschung haben wir den Prozess von der Photokatalyse zur Photosynthese transformiert, also zur echten Umwandlung von Sonnenenergie in Treibstoff“, sagt Amirav. Das photokatalytische System führt eine echte Umwandlung von Sonnenenergie in speicherbare chemische Bindungen mit einem maximalen Wirkungsgrad von 4,2% der Umwandlung von Solarenergie in chemische Energie durch. „Diese Zahl stellt einen neuen Weltrekord auf dem Gebiet der Photokatalyse auf und verdoppelt den bisherigen Rekord“, stellt sie fest. „Das US-Energieministerium hat 5-10% als ‚praktische Machbarkeitsschwelle‘ für die Erzeugung von Wasserstoff durch Photokatalyse definiert.

Diese beeindruckenden Ergebnisse haben die Forscher motiviert, herauszufinden, ob es andere Verbindungen mit hohen Umwandlungen von Solar zu Chemisch gibt. Dazu nutzt das Team künstliche Intelligenz. In einer Kooperation entwickeln die Forscher einen Algorithmus, um chemische Strukturen nach einer idealen treibstoffproduzierenden Verbindung zu durchsuchen. Darüber hinaus suchen sie nach Möglichkeiten, ihr Photosystem zu verbessern, und eine Möglichkeit könnte darin bestehen, sich von der Natur inspirieren zu lassen. Ein Proteinkomplex in pflanzlichen Zellmembranen, der die elektrische Schaltung der Photosynthese umfasst, wurde erfolgreich mit Nanopartikeln kombiniert. Laut Amirav hat sich dieses künstliche System bisher als fruchtbar erwiesen, indem es die Wasseroxidation unterstützt und gleichzeitig Photostrom liefert, der 100-mal größer ist als der, der von anderen ähnlichen Systemen erzeugt wird.

Abstrakt
Die solarbetriebene photokatalytische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ist eine potenzielle Quelle für sauberen und erneuerbaren Kraftstoff. Vier Jahrzehnte weltweiter Forschung haben jedoch bewiesen, dass diese mehrstufige Reaktion eine große Herausforderung darstellt. Hier werde ich unsere Strategien und neuesten Ergebnisse vorstellen, um die Photokatalysatorproduktion an neue und unerforschte Grenzen zu führen und gleichzeitig die solare zu chemische Umwandlung zu untersuchen, die über die Wasserspaltung hinausgeht. Ich werde mich auf das einzigartige Design innovativer nanoskaliger Partikel konzentrieren, die Nanophänomene für eine verbesserte Aktivität nutzen, und auf Methoden zum Aufbau anspruchsvoller Heterostrukturen. Ich werde unsere Designregeln und gesammelten Erkenntnisse teilen, die es uns ermöglichten, effiziente und stabile endotherme Redoxtransformationen über den gesamten Zyklus zu demonstrieren und eine echte Solar-zu-Brennstoff-Energieumwandlung mit Wirkungsgraden nach dem neuesten Stand der Technik von bis zu 4,2 % zu realisieren.


3. Lichtenergie der Sonne initiiert die Photosynthese in den Chloroplasten der Pflanzenzellen.

Pflanzenzellen haben spezielle Organellen, die Chloroplasten genannt werden, die als Orte für die Reaktionen dienen, die die Photosynthese ausmachen. Ihre Thylakoidmembranen enthalten ein Pigment namens Chlorophyll, das Photonen (Lichtenergie) von der Sonne absorbiert und die lichtabhängigen Reaktionen in Gang setzt, die innerhalb der Thylakoide stattfinden.

Bei diesen Reaktionen werden Wassermoleküle (H2O) sind aufgebrochen. Auch NADPH und ATP – hochenergetische Moleküle, die die Glukoseproduktion antreiben – werden während der lichtabhängigen Reaktionen produziert. Elektronen und Wasserstoffionen aus dem Wasser werden zum Aufbau von NADPH verwendet. Wasserstoffionen treiben auch die Umwandlung von ADP in ATP an.


Wissenschaft an der Grenze (1992)

Künstliche Photosynthese: Chemische und biologische Systeme zur Umwandlung von Licht in Strom und Kraftstoffe

"Natürliche Photosynthese ist ein Prozess, bei dem Licht der Sonne in chemische Energie umgewandelt wird", begann Mark Wrighton in seinem Vortrag auf dem Frontiers-Symposium. Wrighton leitet ein Labor am Chemie-Department des Massachusetts Institute of Technology, in dem die Entwicklung aktiv erforscht wird einer praktikablen Laborsynthese des Prozesses ist im Gange: Wie Chemiker seit vielen Jahrzehnten wissen, stammt die von ihm erwähnte chemische Energie aus dem Abbau von Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O), angetrieben durch Lichtphotonen, und führt zur Produktion von Kohlenhydraten, die Pflanzen ernähren, und von Sauerstoff (O2), die für aerobe Organismen lebenswichtig ist. Nicht im Detail bekannt ist, wie dieses bemerkenswerte Energieumwandlungssystem auf molekularer Ebene funktioniert. Die jüngsten Fortschritte in der Spektroskopie, Kristallographie und Molekulargenetik haben jedoch einen Großteil des Bildes geklärt, und Wissenschaftler wie Wrighton versuchen aktiv, das zu verändern ist bekannt über den Prozess in funktionale, effiziente, synthetische Systeme umzuwandeln, die den endlosen Energievorrat der Sonne erschließen. "Photosynthese funktioniert“, sagte Wrighton, „und in großem Maßstab.“ Dieses riesige Naturphänomen, das in der gesamten Biosphäre auftritt und eine enorme Menge einer Art von Brennstoff und Nahrung für Pflanzen und Tiere produziert, beschreibt Wrighton als „einen Existenzbeweis dafür, dass ein solares Umwandlungssystem [a ein anderer, aber] nützlicher Brennstoff in einem Ausmaß, das den Bedürfnissen der menschlichen Zivilisation entspricht. Photovoltaik (PV)-Zellen, die bereits weltweit im Einsatz sind, bieten eine funktionale (wenn auch teurere pro Kilowattstunde)

Stromquelle, wird aber erst dann mit den großen Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen konkurrieren, wenn die Kosten weiter sinken.

Wrightons Präsentation "Photosynthesis&mdashReal and Artificial" war eine sorgfältig begründete, schrittweise Diskussion der entscheidenden Phasen in der chemischen und molekularen Sequenz der Photosynthese. Seine Kollegen in der Sitzung wurden aufgrund ihrer Expertise in dem einen oder anderen dieser grundlegenden Spezialgebiete der Photosyntheseforschung ausgewählt. Am Ende der Sitzung hatten sie nicht nur eine anschauliche Erklärung des Prozesses geliefert, sondern auch einige der faszinierenden experimentellen Daten aus erster Hand beschrieben. Douglas Rees vom California Institute of Technology (zu den molekularen Details der biologischen Photosynthese), George McLendon von der University of Rochester (zum Elektronentransfer), Thomas Mallouk von der University of Texas (zur Anordnung von Materialien zur Erleichterung der Multielektronentransferchemie) , und Nathan Lewis vom California Institute of Technology (über synthetische Systeme mit Flüssigkeitskontakten) ergänzten alle Wrightons Übersicht mit Berichten über Ergebnisse in ihrem eigenen Bereich der Photosyntheseforschung.

Die Wissenschaft der Chemie basiert auf der Atomtheorie der Materie. Egal wie kompliziert die Struktur eines Atoms oder Moleküls ist, seine Bestandteile bleiben nach dem Austausch einer chemischen Reaktion erhalten. Tatsächlich war es die Entwicklung der Waage im 18. Jahrhundert, die zur Geburtsstunde der modernen Chemie führte. Als erkannt wurde, dass die Gesetze der Thermodynamik und der Energieerhaltungssatz eine elegante Reihe von Beschränkungen darstellen, wurde die Chemie zur ultimativen Wissenschaft zum Lösen von Rätseln. Man konnte sich ziemlich sicher fühlen, da die meisten Grundelemente und Verbindungen und ihre einfachen proportionalen Beziehungen entdeckt worden waren, und dass die Antwort im Labor gefunden werden könnte, wenn nur die Teile zu einem richtigen, zusammenhängenden Bild zusammengesetzt werden könnten. Für Chemiker bedeutet dies in der Regel, eine Wechselwirkung unter genau wiederholbaren Bedingungen nachzubilden.

Das Ermöglichungsparadigma wurde vom britischen Chemiker John Dalton entwickelt, der um die Jahrhundertwende die Atomtheorie der Materie vorschlug. Ungeachtet späterer Verfeinerungen aufgrund der Quantenphysik und der zunehmenden Fähigkeit der Wissenschaftler, diese Reaktionen direkt zu untersuchen und zu untersuchen, stellt Daltons grundlegende Beschreibung des Verhaltens und des Transfers von Protonen und Elektronen zwischen und zwischen Elementen und Verbindungen&ndash die Eröffnungssalve, die auf jeden Chemiestudenten an einer High School abgefeuert wurde&ndash setzt immer noch die Bühne für die fortschrittlichste chemische Forschung. Die Photosynthese ist ein anschauliches Beispiel für die Art von Drama, das sich in der Natur mühelos abspielt, aber in chemischen Laboratorien mit akribischer Sorge um das Wesentliche aufwendig nachgestellt wird.

kate Einzelheiten. Es ist kaum zu vereinfachend zu sagen, dass, wenn Wissenschaftler genau herausfinden könnten, wie die von Licht auftreffenden Pflanzen freigesetzten Elektronen so effizient bei nachfolgenden chemischen Umwandlungen eingesetzt werden, durchaus analoge Systeme entwickelt werden könnten, die wesentlich dazu beitragen könnten, den Energiebedarf der Welt zu decken. Für die Gesellschaft steht also viel auf dem Spiel, und der Kontrast ist dramatisch: Ein Chemiker arbeitet an präzise kontrollierten und kompliziert choreografierten Reaktionen in einem Labor&mdassnormalerweise in sehr kleinem Maßstab&mdashand doch können die Implikationen und Anwendungen seiner oder ihrer Arbeit zu dramatischen Veränderungen führen, auf einem gewaltigen Ausmaßes der materiellen Welt.

Im Falle der Forschung zur künstlichen Photosynthese könnten solche Arbeiten zur wirtschaftlichen Herstellung einer Alternative zum schwindenden Angebot an fossilen Brennstoffen führen. Ein weiterer Vorteil könnte eine Reduzierung der schwefelhaltigen Produkte sein, die bei der Verbrennung von kohlenstoffbasierten Kraftstoffen emittiert werden. Wrighton erklärte, dass diese Brennstoffe selbst "das Ergebnis photosynthetischer Prozesse sind, die über die Jahrhunderte hinweg integriert wurden". Es muss daran erinnert werden, dass Pflanzen lange bevor sie die Fähigkeit entwickelten, molekularen Sauerstoff als Nebenprodukt der Photosynthese zu produzieren, immer um ihre eigentliche Aufgabe ging, Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Kohlenhydrate für ihre eigene Ernährung umzuwandeln. Tatsächlich existieren einige dieser anaeroben Pflanzen heute noch in bestimmten spezialisierten ökologischen Nischen. Das System für die Photosynthese hat sich während der Naturgeschichte der Erde zu seinem heutigen Zustand entwickelt und nutzt Materialien, die von Natur aus reichlich vorhanden und kostengünstig sind, betonte Wrighton. Wie von der Natur entworfen, ist es der ultimative Recyclingprozess, da es die beiden am häufigsten vorkommenden Ressourcen des Planeten, CO ., verwendet2 und H2O, Kraftstoff bereitstellen und Schadstoffe abbauen.

Wrighton und andere, die auf der Suche nach einer synthetischen Version des photosynthetischen Prozesses sind, die kommerziell nutzbare Energie erzeugen würde, akzeptieren diese zwei grundlegenden Vorbehalte: Es muss billig sein und seine Rohstoffe müssen reichlich vorhanden sein. Die gegenwärtige PV-Technologie hat Solarwirkungsgrade (d. h. ein bestimmter Prozentsatz der von der Sonne empfangenen Energie als Elektrizität geliefert) von 28,5 Prozent für kristalline Silizium-Punktkontakt-Solarzellen und 35 Prozent für eine Galliumarsenid-Gallium-Antimonid-Stapelschichtzelle ( Brodsky, 1990), aber die Herstellungskosten dieser Produkte erlauben es ihnen nicht, mit konventionellen alternativen Quellen zu konkurrieren. Wenn die beiden natürlichen Photosynthese-Inputs, CO2 und H2O, könnte genutzt werden, sagte Wrighton, "Kraftstoffmischungen, die innerhalb des bestehenden technologischen Rahmens nützlich wären &mdash wo Verbrennungsprozesse die Verwendung unserer bestehenden Brennstoffe dominieren"&mdashare absehbar. Ein Nebennutzen eines solchen Prozesses könnte darin bestehen, "globales CO2 Konzentrationen auf einen stationären Wert", offensichtlich ein wünschenswertes Ziel,

sagte Wrighton. Aber wie er betonte, gibt es andere Kandidaten für eine allgegenwärtige Eingangsquelle, darunter SiO .2 (Siliziumdioxid in Gesteinen), N2 und O2 (molekularer Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft) und NaCl (Kochsalz).

Wenn eine der reichlich vorhandenen natürlichen Ressourcen der Erde durch Sonnenlicht mit Energie versorgt werden könnte, um (wahrscheinlich durch den Abbau und die Freisetzung eines ihrer Elemente) eine Quelle zu erzeugen, die als Brennstoff verwendet werden könnte, könnten der gesamte fossile Brennstoffkreislauf und die damit verbundenen Probleme vermieden werden . Wenn diese Ressource beispielsweise Wasser wäre und die resultierende Brennstoffquelle Wasserstoff wäre, würde die Verbrennung von flüssigem Wasserstoff in der Luft nur Wasser als Verbrennungsprodukt erzeugen. Flüssiger Wasserstoff wird bereits als Kraftstoffquelle verwendet und war schon immer der Hauptkraftstoff für Raumfahrzeuge, da er mehr Wärme pro Gramm Gewicht erzeugt als jeder andere bekannte Kraftstoff. Wenn ein photosynthetisches System entwickelt werden könnte, das nutzbaren Wasserstoff liefert, würde der Prozess die ursprüngliche Wasserquelle regenerieren und ein völlig neues Recycling natürlicher Ressourcen etablieren. Diesmal würde jedoch eher die kulturelle als die natürliche Evolution das Sagen haben. Mit einem so großen neuen Kraftstoffherstellungsprozess wäre die Wissenschaft hoffentlich in der Lage, eine Methodik bereitzustellen, um die globalen Auswirkungen von Nebenprodukten oder Emissionen besser vorherzusagen und zu kontrollieren.

Die Suche nach einem neuen Weg, die Energie der Sonne zu nutzen, beinhaltet zunächst die Untersuchung der Funktionsweise der Photosynthese in der Natur und dann den Versuch, ein neues System zu entwickeln, das wahrscheinlich in gewissem Maße das erfolgreiche Beispiel nachahmen oder modellieren wird. Wrighton und seine Kollegen lieferten eine anschauliche Beschreibung beider Bemühungen.

PHOTOSYNTHESE IN DER NATUR

Photonen und die Physik der Lichtenergie

Die Photosynthese wird durch die Flut von freier Energie ermöglicht, die von der Sonne auf den Planeten regnet. Offensichtlich wird diese Energie von Pflanzen und bestimmten Bakterien, die analoge Photosynthesefähigkeiten entwickelt haben, sinnvoll genutzt. Viele Studien zur Photosynthese werden an diesen Organismen durchgeführt, die robust und unter Laborbedingungen genetisch manipulierbar sind.

Aber woraus besteht dieser Energie-Lichtschauer? Wie können bestimmte Strukturen sie in für sie nützliche chemische Energie umwandeln? Hintergrund der Beantwortung dieser Frage sind zwei der Giganten der Physik des 20. Deutscher Physiker Max Planck um 1900


Künstliche Photosynthese

In diesen künstlichen photosynthetischen Reaktionszentren sind ein Elektronendonor und -akzeptor für den photoinduzierten Elektronentransfer geeignet organisiert. Der primäre Donor ist typischerweise ein Porphyrin (erinnert an den Chlorophyll-Primärdonor in der Natur) oder ein Metall-Polypyridyl-Komplex, und der primäre Akzeptor ist oft ein Porphyrin, Viologen, Chinon, Perylenimid oder Fulleren. Lichtanregung führt zu einem photoinduzierten Elektronentransfer, der funktionell die photochemische Ladungstrennung bei der natürlichen Photosynthese nachahmt. An diesem Reaktionszentrum können Sekundärelektronendonatoren oder -akzeptoren angebracht werden, die nachfolgende Ladungsverschiebungsreaktionen ermöglichen, die das Elektron und das Loch weiter räumlich trennen, wodurch die Lebensdauer des ladungsgetrennten Zustands erhöht wird. Die Geschwindigkeiten der Ladungstrennungs-, Ladungsverschiebungs- und Ladungsrekombinationsreaktionen werden durch die Thermodynamik, die elektronische Kopplung zwischen Anfangs- und Endzustand und die Reorganisationsenergie, die zur Umwandlung des Anfangs- in den Endzustand benötigt wird, gesteuert. In vielen Systemen wird die elektronische Kopplung zwischen Donor- und Akzeptoreinheiten durch kovalente Bindung präzise gesteuert. Die Energetik der Elektronentransferprozesse und die Reorganisationsenergien werden durch die Wahl der Donoren, Akzeptoren und des Mediums gesteuert. Abgesehen vom photoinduzierten Elektronentransfer wurden andere photosynthetische Prozesse wie der Energietransfer von einem Antennensystem zum Reaktionszentrum und der Photoschutz bei hoher Lichtintensität in molekularen Systemen repliziert. 26,27

Solche synthetischen Reaktionszentren können verwendet werden, um Photonenenergie in pmf umzuwandeln, wie anhand einer molekularen Triade (enthält ein Carotinoid , eine freie Base Porphyrin und ein Carboxylat-tragendes Naphthochinon ) gezeigt, die in eine liposomale Membran eingefügt wird, die ein lipidlösliches Chinon-Shuttle enthält (Abb. 2). Aufgrund des amphiphilen Charakters der Triade inseriert der Polyenschwanz bevorzugt in die Lipidmembran und bietet eine vektorielle Orientierung für die Anordnung der Reaktionszentren . Die Photonenabsorption durch das Porphyrin führt zu einem Elektronentransfer im angeregten Zustand auf das kovalent gebundene Chinon, gefolgt von einem Lochtransfer vom oxidierten Porphyrin zum sekundären Carotinoiddonor. Der endgültige ladungsgetrennte Zustand ist ausreichend langlebig, um einen Elektronentransfer von der reduzierenden Seite der Triade (dem Chinon) auf das lipidlösliche Chinon-Shuttle zu ermöglichen. Zusammen mit der Reduktion dieses Chinons wird ein Proton aus der externen wässrigen Lösung extrahiert, wodurch ein neutrales Semichinon entsteht, das durch die Lipidmembran zur oxidierenden Seite der Triade (dem Carotinoid) diffundiert. Hier spendet das Semichinon ein Elektron an das oxidierte Carotinoid, wobei es ein Proton in die innere wässrige Lösung ausstößt und pmf erzeugt. Ein solches System kann die ATP-Produktion aus ADP und anorganischem Phosphat antreiben, wenn ATP-Synthase in die liposomale Membran eingebaut wird. 28 Diese liposomalen Systeme dienen als Konzeptbeweis dafür , dass die photoinduzierte Ladungstrennung in molekularen Systemen genutzt werden kann , um einfallende Sonnenenergie zu speichern , indem analog zur bakteriellen Photosynthese pmf erzeugt wird . Alternativ haben neuere Ergebnisse die Umwandlung von emf in pmf über eine planare Lipiddoppelschicht mit einem redoxaktiven Protonenshuttle gezeigt. 29 Die Entwicklung von Konstrukten für die emf-pmf-Umwandlung ist für einige Ansätze zur künstlichen Photosynthese von zentraler Bedeutung und wird die Tür zum Einsatz biologischer energieübertragender Katalysatoren , gekoppelt an pmf, in Hybridvorrichtungen öffnen, die zur Synthese energiereicher Verbindungen in der Lage sind.

Abb. 2 Eine künstliche photosynthetische Membran, die Lichtenergie in pmf umwandelt und dadurch die ATP-Synthese antreibt. Molekulare Triadenmoleküle (C–P–Q) werden in ein Liposom mit dem lipidlöslichen Chinon-Shuttle (QS). Photoinduzierte Ladungstrennung führt zum Protonenpumpen über QS. Bei in die Membran eingebauter ATP-Synthase wird das resultierende pmf für die Synthese von ATP verwendet. Die Grafik zeigt die produzierte ATP-Menge als Funktion der Bestrahlungszeit für [ATP] = [ ADP ] = 0,2 mM und [Pich] = 5 mM, offene Dreiecke und [ATP] = 0,2 mM, [ ADP ] = 0,02 mM und [Pich] = 5 mM, gefüllte Kreise, sowie für Kontrollexperimente. Die Abbildung ist aus Lit. angepasst. 28.

Die photochemische Ladungstrennung in molekularen Systemen wurde auch mit der Oxidation koordinierter Manganionen gekoppelt. In einem Beispiel führt der Elektronentransfer im angeregten Zustand von einem Ruthenium-Polypyridyl-Farbstoff auf einen löslichen Viologen-Akzeptor zur Bildung von Ru 3+ . Diese Spezies entzieht einem kovalent gebundenen Manganzentrum ein Elektron. Bei einigen der erfolgreichsten Verbindungen können drei Lichtanregungsrunden drei Oxidationsäquivalente an einem Mangandimer akkumulieren, wodurch das ursprüngliche Mn 2+ –Mn 2+ Cluster in Mn 3+ –Mn 4+ . 30 Dabei findet ein Austausch von Acetat zu Aquo-Liganden statt, mit möglicher Deprotonierung eines Aquo-Liganden gleichzeitig mit dem Zugang zum Mn 3+ –Mn 4+ Zustand. Diese Arbeiten weisen viele Ähnlichkeiten mit der Donorseite von PSII auf und sind ein wichtiger Schritt hin zur Verknüpfung synthetischer Reaktionszentren mit funktionellen Wasseroxidationskatalysatoren . Sowohl die Erzeugung von pmf als auch die Mehrelektronenoxidation von Wasser sind Forschungsgebiete, die ein detailliertes Verständnis dafür erfordern, wie die Protonenbewegung mit dem Elektronentransfer gekoppelt werden kann, ein Thema, das weiter unten diskutiert wird.


Ein großer Sprung für ein künstliches Blatt

Daniel Nocera, Professor für Energiewissenschaft an der Harvard University und Pionier der künstlichen Photosynthese, sagt, dass er und seine Kollegin Pamela Silver ein System entwickelt haben, das den Prozess der Herstellung von flüssigem Kraftstoff aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser vervollständigt. Und das mit einem Wirkungsgrad von 10 Prozent und mit reinem Kohlendioxid – das heißt, ein Zehntel der Energie des Sonnenlichts wird eingefangen und in Treibstoff umgewandelt. Das ist viel mehr als die natürliche Photosynthese, die etwa 1 Prozent der Sonnenenergie in die von Pflanzen genutzten Kohlenhydrate umwandelt, und könnte ein Meilenstein in der Abkehr von fossilen Brennstoffen sein. Das neue System wird in einem neuen Papier in . beschrieben Wissenschaft.

“Bill Gates has said that to solve our energy problems, someday we need to do what photosynthesis does, and that someday we might be able to do it even more efficiently than plants,” says Nocera. “That someday has arrived.”

In nature, plants use sunlight to make carbohydrates from carbon dioxide and water. Artificial photosynthesis seeks to use the same inputs—solar energy, water, and carbon dioxide—to produce energy-dense liquid fuels. Nocera and Silver’s system uses a pair of catalysts to split water into oxygen and hydrogen, and feeds the hydrogen to bacteria along with carbon dioxide. The bacteria, bioengineered to specific characteristics, convert the carbon dioxide and hydrogen into liquid fuels.

Several companies, including Joule Unlimited and LanzaTech, are working to produce biofuels from carbon dioxide and hydrogen, but they use bacteria that consume carbon monoxide or carbon dioxide, rather than hydrogen. Nocera’s system, he says, can operate at lower temperatures, higher efficiency, and lower costs.

Nocera’s latest work “is really quite amazing,” says Peidong Yang of the University of California, Berkeley. Yang has developed a similar system with much lower efficiency. The performance of this system is “unparalleled” in any other artificial photosynthesis system reported to date, he says.

The new system can use pure carbon dioxide in gas form, or carbon dioxide captured from the air—which means it could be carbon-neutral, introducing no additional greenhouse gases into the atmosphere. “The 10 percent number, that’s using pure CO2,” says Nocera. Allowing the bacteria themselves to capture carbon dioxide from the air, he adds, results in an efficiency of 3 to 4 percent—still significantly higher than natural photosynthesis. “That’s the power of biology: these bioörganisms have natural CO2 concentration mechanisms.”

Nocera’s research is distinct from the work being carried out by the Joint Center for Artificial Photosynthesis, a U.S. Department of Energy-funded program that seeks to use inorganic catalysts, rather than bacteria, to convert hydrogen and carbon dioxide to liquid fuel. According to Dick Co, who heads the Solar Fuels Institute at Northwestern University, the innovation of the new system lies not only in its superior performance but also in its fusing of two usually separate fields: inorganic chemistry (to split water) and biology (to convert hydrogen and carbon dioxide into fuel). What’s really exciting is the “hybrid approach” to artificial photosynthesis, says Co: “It’s exciting to see chemists pairing with biologists to advance the field.”

Commercializing the technology is likely to take years. In any case, the prospect of turning sunlight into liquid fuel suddenly looks a lot closer.


Scientists look to hack photosynthesis for a ‘greener’ planet

Scientists are looking at how plants turn sunlight into sugars — a process known as photosynthesis — as a model for cleaner ways to produce energy for people and industry. Their research even suggests ways people can help plants photosynthesize more efficiently.

Xurzon/iStock /Getty Images Plus

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December 5, 2019 at 6:45 am

Photosynthesis comes as naturally to plants as breathing does to people. This process converts the simple ingredients of carbon dioxide, water and sunlight into energy. Photosynthesis allows plants to grow. In turn, we rely on photosynthesis as the foundation for our life on Earth.

Carina Baskett recalls the first time she learned about photosynthesis. She says, “I remember feeling like, this seems so magical.”

She’s now a plant biologist at the Institute of Science and Technology Austria in Klosterneuburg. “It’s just so amazing that plants are taking air, water and light — things we walk around in, all the time — and they’re turning that into energy and food for the whole world.”

The sun’s energy makes us feel warm when it hits our bare skin. But when sunlight touches the leaves of a plant it does more. It powers a chemical reaction that converts one type of energy into another. Those plant leaves contain plenty of water. That water is made of oxygen atoms bonded to hydrogen atoms. The sun’s energy can excite electrons inside the water molecule enough that the bonds split.

This triggers a reaction “that takes the oxygen away from the water. And that becomes the oxygen in the air that we all breathe,” explains Baskett. Meanwhile, she notes, “Hydrogen from the water gets smushed together with the carbon dioxide [in air], and that makes sugar.”

People and all other animals use this sugar — glucose — as an energy source from food. Plants become the food that our bodies can convert into energy. Essentially, photosynthesis is the reason we can exist, Baskett explains.

It’s no mystery why photosynthesis fascinates her and other scientists. Many of them now want to know more about it, imitate it — even improve upon it.

Blinking plants

The basics of photosynthesis are well-known. Chlorophyll, the green pigments in plants, use sunlight to make sugars. But there’s still a lot to learn about how plants control the process and its efficiency. Enter Avihai Danon. He’s a plant biologist at the Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel. He studies how plants regulate, or control, photosynthesis. In a paper published last year in iScience, his team described one such process. He describes it as plants “blinking.”

“Too much light can actually burn the plant’s cells,” says Danon. He compares a plant exposed to too much light to a person playing with electricity. “If suddenly there is a rise in light level, how do they handle it? Do they get burned?”

Any gardener knows plant species are adapted to live in particular amounts of sunlight. But light conditions naturally change. Clouds travel across the sky, wind ruffles leaves and the sun’s position moves throughout the day. To study how photosynthesis adjusts to these changes, Danon studied mustard plants in his lab under low light.

In one test, he increased the light’s intensity every 10 minutes. This was to mimic the rising sun. As the light changed, Danon measured the plant’s fluorescence (Fluor-ESS-ents). This is a form of light energy released by photosynthesis. Measuring the fluorescence helped Danon see how much photosynthesis occurred under different levels of light.

As the day brightened, Danon expected to see a steady increase in photosynthesis. Instead, the pattern resembled more of a flicker. Photosynthesis would slow way down, and then bump back up a little. Down, and then up. Again and again, little by little, it adjusted to the strengthening light.

“It’s taking a better-be-safe-than-sorry approach,” Danon explains. The plant was anticipating the worst conditions, he says, before adjusting to the actual changes.

Danon couldn’t help but draw a comparison to how human eyes respond to sudden, bright sunlight. When we step outside on a sunny day, our pupils constrict. That response protects our eyes from damage while making sure we still can see important things around us.

Plants can’t move, so their “blinking” helps protect them from burning or bleaching when they are in bright sun. A plant’s light gauges — you can think of them as antennae — register when light levels change. These antennae shrink, and in the process reduce photosynthesis. This shrinking also protects them from sudden changes that might damage the entire plant.

Danon is inspired by what plants can do. “If plants have developed this type of very anspruchsvoll response, and they are successful for hundreds of millions of years, maybe it can help us in our own engineering,” he says.

Künstliche Photosynthese

Scientists have already begun copying, or mimicking, photosynthesis. Their artificial processes also use light to split oxygen and hydrogen — for energy. The dream is to eventually replace fossil fuels. If people could make energy from sun, air and water — as plants do — it would cut down on planet-warming releases of carbon dioxide. It also could create a huge new source of renewable energy.

Many researchers look to solar fuels — fuels made from sunlight — as “green” replacements for today’s carbon-based fossil fuels. These include oil, gas and coal.

Solar fuels can take many forms. They might look like traditional carbon-based fuels, using carbon dioxide to “recycle” emissions from fossil fuels. Hydrogen and oxygen, the chemical products of photosynthesis, can power fuel cells that allow cars to run on electricity. Also, solar energy can convert sunlight into electricity that could be stored in batteries. No matter what form solar fuels take, the first step is splitting water into its elemental building blocks.

“Nature has this power,” explains Julien Warnan. He’s a chemist working with Erwin Reisner on solar fuels at the University of Cambridge in England. Nature has had a lot of time to figure out how to do this efficiently, he notes. When it comes to splitting up water’s building blocks, engineers are “a bit more limited,” he says. “Everyone is trying to develop different tools to do it.”

Last year in the journal Nature Energy, Warnan’s team described a new way to use sunlight to split water. The idea, Warnan explains, “is to take water and air and put that together in a box.” Then you add a catalyst. This is some material that can trigger chemicals to react. Later, he says, “You shine light on this box. And what comes out is fuel — like what you put in your car or a plane.”

Scientists around the world are experimenting with devices — think of them as artificial leaves. Like the processes in leaves, they split water into hydrogen and oxygen. Warnan’s team wasn’t the first to do it. But they did it with a different type of catalyst. It’s the same one that a plant uses to jump-start a chemical reaction.

They extract that catalyst from a plant, rather than creating it from chemicals in a lab. That means fewer harsh chemicals would go into making their solar fuel. But more work is needed before people can produce a solar fuel from water as easily as plants can.

“The great power of the plant is that it can always regenerate and replenish [the catalyst] if it breaks down,” says Warnan. “We cannot.” This type of solar fuel, therefore, “is still very expensive,” he points out.

Explainer: What is a catalyst?

So don’t expect to gas up with solar fuels in the near future. The current devices cannot harvest enough sunlight affordably. That’s why plants are such good teachers. Having done photosynthesis for millions of years, they’ve already figured out how to do it efficiently.

Energy analysts predict that people will use twice as much energy by 2050 as they do now. Artificial leaves could be one way to wean humanity off its dependence on fossil fuels.

Hacking plants

Nearly 8 billion people share our planet today. The United Nations estimates that there will be 9.7 billion people living on this warming world by 2050. They will stretch the demand for food and energy to its limits.

Photosynthesis has evolved to work as well as it needs to — for plants. One group of scientists is now looking to improve upon photosynthesis — this time, for people. RIPE, which stands for Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, is a global research effort. It aims to “hack” photosynthesis in ways that could yield more crops.

Amanda Cavanaugh is a plant biochemist at the University of Illinois in Urbana. She works with RIPE. Her research focuses on one tiny enzyme that has a big impact on photosynthesis. It’s known as Rubisco (Rew-BIS-koh).

“It doesn’t get a lot of credit, but it has arguably the most important job in the world,” she says.

Rubisco grabs carbon dioxide out of the air and helps convert it to sugar, or glucose. That’s the process that makes plants into an energy-conversion system that fuels the growth of animals.

All photosynthetic life relies on the Rubisco enzyme, Cavanaugh says. And while “it’s critically important,” she adds, “it’s not particularly good at its job.”

She’s talking about a common mistake that plants make during photosynthesis. About one in every five times, a plant will “grab” an oxygen molecule from the air instead of carbon dioxide. That’s like accidentally putting salt in coffee rather than sugar. So instead of making energy for the day, the plant produces toxic compounds.

Plants have come up with a way to recycle the unwanted compounds. But doing this uses energy that the plant might otherwise put into growth. If science could figure out a way to correct Rubisco’s mistake, Cavanaugh estimates, agriculture could feed another 200 million people a year.

“For years, people have been fascinated by the possibility of engineering a better Rubisco,” she says. Doing so might allow farmers to “grow more food on less land.” And that, she argues, is “the ultimate goal for a plant biologist.”

When Rubisco makes those mistaken compounds, a plant gets rid of them. It does that by transporting these unwanted chemicals to three different structures within the plant cell. Cavanaugh and her colleagues saw this “recycling” process as wasting a plant’s precious energy and time. “We wondered if there was a way to speed that up,” she says.

RIPE scientists at the University of Illinois are working with researchers at the Agriculture Department to make plant photosynthesis more efficient. They have begun focusing on the role of an enzyme known as Rubisco.
IGBIllinois/YouTube

To find out, she and her colleagues worked with tobacco plants in a greenhouse. (Tobacco is not a food crop, but they used it because it’s quick to grow.) The researchers tested plants having somewhat different genetic traits. Then they “starved” these plants of the carbon dioxide they needed to grow. The plants’ Rubisco responded by making lots of mistakes.

The plants that thrived under these conditions proved to be the best recyclers of the toxic compounds.

Then the scientists grew the super recyclers in farm fields. These tobacco plants grew 40 percent larger than normal. The researchers described their engineering feat last Jan. 4 in Wissenschaft.

The next step is to apply the lessons learned in tobacco to crops, such as potatoes, cow peas and soybeans. Cavanaugh is excited about the likely success of moving this photosynthetic hack into food plants.

“Photosynthesis is one of the best understood biological processes in life,” says Cavanaugh. “But there’s so much we don’t know about it. It’s now starting to open up in a really neat way.”

Power Words

Landwirtschaft Das Wachstum von Pflanzen, Tieren oder Pilzen für den menschlichen Bedarf, einschließlich Nahrung, Treibstoff, Chemikalien und Medizin.

atmosphere The envelope of gases surrounding Earth or another planet.

atom The basic unit of a chemical element. Atoms are made up of a dense nucleus that contains positively charged protons and uncharged neutrons. The nucleus is orbited by a cloud of negatively charged electrons.

Biologie Das Studium der Lebewesen. Die Wissenschaftler, die sie untersuchen, sind bekannt als Biologen.

Bindung (in chemistry) A semi-permanent attachment between atoms — or groups of atoms — in a molecule. It’s formed by an attractive force between the participating atoms. Once bonded, the atoms will work as a unit. To separate the component atoms, energy must be supplied to the molecule as heat or some other type of radiation.

Kohlenstoff The chemical element having the atomic number 6. It is the physical basis of all life on Earth. Carbon exists freely as graphite and diamond. It is an important part of coal, limestone and petroleum, and is capable of self-bonding, chemically, to form an enormous number of chemically, biologically and commercially important molecules.

Kohlendioxid (or CO2) A colorless, odorless gas produced by all animals when the oxygen they inhale reacts with the carbon-rich foods that they’ve eaten. Carbon dioxide also is released when organic matter burns (including fossil fuels like oil or gas). Carbon dioxide acts as a greenhouse gas, trapping heat in Earth’s atmosphere. Plants convert carbon dioxide into oxygen during photosynthesis, the process they use to make their own food.

catalyst A substance that helps a chemical reaction to proceed faster. Examples include enzymes and elements such as platinum and iridium.

Zelle The smallest structural and functional unit of an organism. Typically too small to see with the unaided eye, it consists of a watery fluid surrounded by a membrane or wall. Depending on their size, animals are made of anywhere from thousands to trillions of cells. Most organisms, such as yeasts, molds, bacteria and some algae, are composed of only one cell.

chemisch A substance formed from two or more atoms that unite (bond) in a fixed proportion and structure. For example, water is a chemical made when two hydrogen atoms bond to one oxygen atom. Its chemical formula is H2O. Chemical also can be an adjective to describe properties of materials that are the result of various reactions between different compounds.

chemische Reaktion Ein Prozess, der die Neuordnung der Moleküle oder der Struktur einer Substanz beinhaltet, im Gegensatz zu einer Änderung der physikalischen Form (wie von einem Feststoff zu einem Gas).

chlorophyll Any of several green pigments found in plants that perform photosynthesis — creating sugars (foods) from carbon dioxide and water.

Kollege Jemand, der mit einem anderen, einem Kollegen oder Teammitglied zusammenarbeitet.

Verbindung (often used as a synonym for chemical) A compound is a substance formed when two or more chemical elements unite (bond) in fixed proportions. Wasser ist beispielsweise eine Verbindung aus zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Sein chemisches Symbol ist H2Ö.

crop (in der Landwirtschaft) Eine Pflanzenart, die von Landwirten absichtlich angebaut und gepflegt wird, wie Mais, Kaffee oder Tomaten. Or the term could apply to the part of the plant harvested and sold by farmers.

Elektrizität A flow of charge, usually from the movement of negatively charged particles, called electrons.

electron A negatively charged particle, usually found orbiting the outer regions of an atom also, the carrier of electricity within solids.

engineer A person who uses science to solve problems. As a verb, to engineer means to design a device, material or process that will solve some problem or unmet need.

Enzym Molecules made by living things to speed up chemical reactions.

excite (in chemistry and physics) To transfer energy to one or more outer electrons in an atom. They remain in this higher energy state until they shed the extra energy through the emission of some type of radiation, such as light.

fluoresce To absorb and then later reemit light in a different wavelength. That reemitted light is known as Fluoreszenz.

fossiler Brennstoff Any fuel — such as coal, petroleum (crude oil) or natural gas — that has developed within the Earth over millions of years from the decayed remains of bacteria, plants or animals.

gauge A device to measure the size or volume of something. For instance, tide gauges track the ever-changing height of coastal water levels throughout the day. Or any system or event that can be used to estimate the size or magnitude of something else. (v. to gauge) The act of measuring or estimating the size of something.

genetisch Having to do with chromosomes, DNA and the genes contained within DNA. The field of science dealing with these biological instructions is known as genetics. People who work in this field are geneticists.

greenhouse A light-filled structure, often with windows serving as walls and ceiling materials, in which plants are grown. It provides a controlled environment in which set amounts of water, humidity and nutrients can be applied — and pests can be prevented entry.

hack (in computing) To get unapproved — often illegal — access to a computer, usually to steal or alter data or files. Someone who does this is known as a hacker. (outside computing) To take over a process and control it by some clever means.

Wasserstoff The lightest element in the universe. Als Gas ist es farblos, geruchlos und leicht entzündlich. Es ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Brennstoffe, Fette und Chemikalien, aus denen lebendes Gewebe besteht. Es besteht aus einem einzelnen Proton (das als sein Kern dient), das von einem einzelnen Elektron umkreist wird.

Molekül An electrically neutral group of atoms that represents the smallest possible amount of a chemical compound. Molecules can be made of single types of atoms or of different types. For example, the oxygen in the air is made of two oxygen atoms (O2), but water is made of two hydrogen atoms and one oxygen atom (H2O).

oxygen Ein Gas, das etwa 21 Prozent der Erdatmosphäre ausmacht. All animals and many microorganisms need oxygen to fuel their growth (and metabolism).

photosynthesis (Verb: Photosynthese) Der Prozess, bei dem grüne Pflanzen und einige andere Organismen Sonnenlicht nutzen, um Lebensmittel aus Kohlendioxid und Wasser herzustellen.

Schüler (in biology) The dark center of an eye. The pupil is actually a hole in the eye that allows light to pass through and hit the retina, the part of our eye that is sensitive to light.

recyceln Neue Verwendungsmöglichkeiten für etwas – oder Teile von etwas – finden, das sonst weggeworfen oder als Abfall behandelt werden könnte.

regulieren (n. regulation) To control with actions. Governments write rules and regulations — laws — that are enforced by police and the courts.

renewable energy Energy from a source that is not depleted by use, such as hydropower (water), wind power or solar power.

Rubisco This term is actually an acronym for ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase. It is the most common protein on Earth. In its role as an enzyme, it plays a pivotal role in photosynthesis.

Salz A compound made by combining an acid with a base (in a reaction that also creates water). The ocean contains many different salts — collectively called “sea salt.” Common table salt is a made of sodium and chlorine.

solar cell A device that converts solar energy to electricity.

anspruchsvoll A term for something that is advanced, complex and/or elegant.

Spezies A group of similar organisms capable of producing offspring that can survive and reproduce.

Technologie The application of scientific knowledge for practical purposes, especially in industry — or the devices, processes and systems that result from those efforts.

Tabak A plant cultivated for its leaves, which many people burn in cigars, cigarettes, and pipes. Tobacco leaves also are sometimes chewed. The main active drug in tobacco leaves is nicotine, a powerful stimulant (and poison).

giftig Poisonous or able to harm or kill cells, tissues or whole organisms. The measure of risk posed by such a poison is its toxicity.

Merkmal Ein charakteristisches Merkmal von etwas. (in der Genetik) Eine Eigenschaft oder Eigenschaft, die vererbt werden kann.

entwöhnen (adj. and v. weaning) The process in young mammals of transitioning from a diet of mother’s milk to other foods.

Zitate

Tagebuch: K.E. Dalle et al. Electro- and solar-driven fuel synthesis with first row transition metal complexes. Chemical Reviews. vol. 119, Feb. 15, 2019, p. 2752. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00392.

Tagebuch: P. F. South et al. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field. Wissenschaft. vol. 363, Jan 4, 2019, p. eaat9077. doi: 10.1126/science.aat9077.

Tagebuch: A. Tendler et al. Fold-change response of photosynthesis to step increases of light level. iScience, vol. 8, Sept. 25, 2018 p. 126. doi: 10.1016/j.isci.2018.09.019.

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Fossil fuels are running out

Since the mid nineteenth century, humans have progressively mastered the discovery, extraction, and combustion of fossil fuels. Fossil fuels are the remains of organisms, mostly thick growths of plants from more than 500 million years ago, that were buried under heavy layers of sediment and slowly heated and compressed, under conditions without oxygen, into carbon-rich deposits. These are now used as the energy source for almost all modern transportation and electricity generation systems.

There are many reasons why this is now believed to be unsustainable. Fossil-based fuels are just the remains of photosynthetic activity that once took place on the earth’s surface over hundreds of millions of years — when plants converted solar energy and carbon dioxide into biomass. However, by burning all this carbon very rapidly, we are returning carbon dioxide, sulfur and nitrous oxides to the atmosphere in very high concentrations and rates that cannot be balanced by the planet’s natural cycles. Hence, we are beginning to observe several adverse affects of this build up including global warming and increased incidences of asthma and pulmonary disorders.

It is obvious that, since we are burning fuels at a pace far exceeding that of their creation, we will eventually exhaust them. By most estimates we have 50-100 years’ worth of oil and gas left under the earth’s surface. The search for renewable fuels is thus well motivated.

The challenge of renewable fuels

Solar energy is the most abundant renewable resource available, and photosynthesis is a great template for how this energy can be converted into chemical energy (which is the energy stored in the chemical bonds connecting atoms together in matter). The ability to transform sunlight into fuel is, after all, what has always powered human societies, starting from the use of firewood as our primary fuel, to the use of coal, oil and gas. It is therefore natural that, when looking for sustainability, we turn back to the sun and photosynthesis to transform its energy into biofuels.

The total solar energy falling on the earth exceeds the energy humans consume globally by several thousand fold [1]. However, the two main challenges of harvesting this energy are its diffuse nature and the low efficiencies in capturing and storing it. Sunlight is diffuse in two ways – it is distributed across a wide range of wavelengths (a property of light manifested through the different colors of light, which carry different amounts of energy), and is also spread across the surface of the earth.

One way to capture this solar energy is biofuels. Biofuels are fuels, which are chemically similar to gasoline and diesel, but are produced by processing crops, algae or microbial culture. The carbon in biofuels comes from carbon dioxide that plants convert to their biomass through photosynthesis. Hence, burning them for energy doesn’t add any net carbon dioxide to the atmosphere, making them ‘carbon neutral’. However, by some estimates, we would need to use an area as large as a quarter of the total land used for agriculture in the US today to generate enough biofuels to meet American transportation fuel use [1]. It is thus easy to see that, to avoid biofuel production from competing with food production and other land-use, there is a need for much more efficient biological conversion of sunlight into chemicals. Synthetic biology may be part of the answer.

What is Synthetic Biology?

In its earliest days, biology was a largely observational endeavor, looking at how whole organisms act and survive. But in the last 6-7 decades biology has undergone a revolutionary transformation with an understanding of the molecular processes underlying how cells and organisms work. Synthetic biology is a new field of biological engineering that aims to use and build upon our vast leaps in the molecular understanding of biological systems to make it easier and more systematic to redesign microorganisms, plants, animals and algae by tinkering with their genetic materials.

Molecular biology has revealed that there are many common and basic genetic motifs that combine in innumerable ways to create the brilliant diversity of life on earth. Now that we know some of these basic parts, engineers are beginning to try building new biological functions by rearranging these parts in new patterns. Synthetic biology methods can, for instance, help make plants more resistant to drought and pests by artificially enhancing genes responsible for those tasks. An example is DroughtGard Hybrid corn, a drought tolerant variety engineered by Monsanto [2] to produce a protein (cspB) that helps bacteria deal with heat, cold and dryness stresses. In a similar vein, engineers can now create yeast and bacteria that can convert substantial amounts of plant husk into ethanol or oils that can then be used as fuel [3]. Synthetic biology has the potential to be breeders’ dreams come true. What traditional plant breeders would rarely achieve after generations of mixing plant varieties and selecting for different traits, synthetic biology offers the ability to quickly engineer in a lab simply by directly giving organisms the genes to produce the wanted traits.

Making fuels faster and cheaper

Biofuel production involves a few interesting design choices for synthetic biologists. These include picking organism(s) to engineer and choosing the elements of their genetic make up to tinker with. Microbes are a favorite for many researchers since they are relatively easy and cheap to grow in labs. The workflow for most engineers involves repeats of a “Design-Build-Test” cycle, which can be performed more quickly and cheaply in microbes than in larger plants. However, working with plants does have the advantage that they are more compatible with current agricultural setups. Photosynthetic microbes like algae and cyanobacteria often need special reactors designed for them, which involve pumping large amounts of water and have high maintenance.

Once the choice of organism is made, the actual engineering is done on two main fronts. Efforts are being made to increase the efficiency of sunlight and carbon dioxide capture so that organisms can grow faster and, secondly to change the chemical composition that these organisms grow into. While plants or microbes typically convert sunlight and carbon dioxide into their biomass (mostly in the form to of substances like sugars and proteins), scientists are trying to engineer them produce and secrete oily substances, fatty acids, alcohols etc. These are chemicals that carry much more energy per pound and are much better suited for use as fuels than cellular biomass.

Many synthetic biologists are also attempting to get heterotrophic microbes (ones that can’t make their own food with photosynthesis but instead need to be fed with organic compounds) to convert the biomass from plants into usable fuels. Creating biofuels this way would then involve a two-step approach in producing the fuel, where plants are first engineered to grow as quickly as possible and then are ground up and fed to E. coli, yeast, etc., that would convert that biomass into ethanol and other fuels. The efforts to produce corn ethanol with engineered yeast have become popular recently, and can be considered an extension of what beer and malt brewers have been doing for centuries. Synthetic biology aims to make this process many fold more efficient and better suited for fuels, like octane, that can be used to run existing gasoline engines much more efficiently than ethanol can, which is crucial in making the transition from a fossil fuel to a biofuel-based society as easily as possible.

Concerns, prospects and a look towards the future

Synthetic biology, with its promise of being a means to design desired features into organisms, is understandably faced with controversy. Criticisms range from concerns about the environmental effects of creating ‘super-bugs’ in labs, to ethical questions about humans’ efforts to play intelligent re-designers of natural beings. Safety and environmental impact are very important considerations that scientists are actively trying to address already by making these organisms unable to grow outside of controlled laboratory, farm or bioreactor conditions. In terms of the ethical question, it might be argued that most engineers aren’t necessarily creating new “unnatural” entities – they are just using the repertoire of very powerful biological functions created by nature and rearranging them, much in the same way as a gardener selects for desirable traits when breeding flowers. As synthetic biology is just in its early stages of development, it will be important to involve all stakeholders in a reasoned consideration of all possible concerns, and an open and democratic deliberation on the pace and extent that we as a society will pursue synthetic biology. With these issues properly addressed, synthetic biology may yet fulfill its promise as a way forward in our quest for clean, sustainable fuel.

Gairik Sachdeva is a PhD student in Bioengineering at the Harvard School of Engineering and Applied Sciences.

[1] Savage, DF, Way, J, Silver, PA. (2008) Defossiling Fuel: How Synthetic Biology Can Transform Biofuel Production. ACS Chemical BiologyDavid F. Savage, Jeffrey Way and Pamela A. Silver. ACS Chemical Biology 3(1):12-16.


Photosynthese

Plants, algae and cyanobacteria use a chemical reaction known as photosynthesis to create the materials they need from what’s around them. Plucking carbon dioxide from the air, water from the ground and light from the sun, land plants make sugar and kick out oxygen as a waste product. Which is lucky for us. Without this oxygen supply to counterbalance the carbon dioxide we breathe out, most life on this planet, including us, would suffocate.

In plants, photosynthesis takes place in structures within their cells called chloroplasts. Chloroplasts, like the mitochondria in our own cells that drive our metabolism, are thought to have originated from bacterial cells that came to live in symbiosis inside their host.

Plants can harvest light because their chloroplasts are stuffed full of a pigment called chlorophyll, which absorbs red and blue light. When the sun’s rays hit plants, they absorb these colours but not green, which gets reflected, giving most plants their distinctive hue.

Plants use the sugars they make to fuel their growth and combine them into more complex molecules like cellulose to make material. This process of taking carbon from the air and using it to make large polymers makes plants an extremely useful ally in combating climate change, which is predominantly caused by carbon dioxide emissions. Ironically, photosynthesis is also behind many of the world’s fossil fuels, which formed from decayed prehistoric plants and animals.

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Some organisms depend on pigments other than chlorophyll to photosynthesise, such as carotenoids, which are red, orange or yellow and absorb blue-green light.

While plants, algae and cyanobacteria all use oxygen-based photosynthesis, there is also a version of the reaction called anoxygenic photosynthesis. This typically occurs in bacteria, such as purple bacteria and green sulphur bacteria, in aquatic habitats. These organisms photosynthesise use chemicals like hydrogen sulphide instead of water and produce sulphur as a by-product rather than oxygen.

Some animals also seem to be able to photosynthesise. The emerald green sea slug, for example, consumes algae and uses its chloroplasts. And it is thought that some green aphids can also harness light using their pigments. Chris Simms


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