التمثيل الضوئي الاصطناعي أو المتسارع: كيف يمكنك تحسين الاستجابة الحرجة للمحيط الحيوي

كيف يحدث تفاعل التمثيل الضوئي؟

جوهر عملية التمثيل الضوئي هو تحويل طاقة الضوء المرئي إلى

طاقة الروابط الكيميائية للمواد العضوية.

وبعبارة أخرى، بمساعدة الطاقة الضوئية الجسميزيل الإلكترونات من الجزيء وينقلها إلى جزيئات ثاني أكسيد الكربون، فيختزلها ويحولها إلى جزيئات مادة عضوية، والتي يمكن بعد ذلك أكسدتها مرة أخرى، وتحصل على الطاقة.

النظام الكامل لتفاعلات التمثيل الضوئي للنبات في مخطط واحد: 6СО2 + 6H2O = الجلوكوز (С6H12О6) + 6О2

واحدة من المراحل الرئيسية لهذا المجمع وعملية متعددة المراحل - ربط ثاني أكسيد الكربون. عندما يحدث هذا ، يتم ربط ثاني أكسيد الكربون بمركب يسمى ريبولوز (1،5) بيسفوسفات ، وهو سكر مع مجموعتين من الفوسفات.

ويتم توجيه هذا التفاعل بواسطة إنزيم - ريبولوز ثنائي فوسفات كربوكسيلاز، أو روبيسكو (RuBisCO). 

RuBisCO هو إنزيم عبارة عن مركب كامل مكون من 16 سلسلة بروتينية في وقت واحد. تحفز معظم الإنزيمات آلاف التحولات الكيميائية في كل ثانية.

ومع ذلك ، يتعامل Rubisco مع 3 إلى 10 فقطجزيئات ثاني أكسيد الكربون ، حسب الظروف. لا يمكن تعويض هذه النوعية المنخفضة من الإنزيم إلا بكميته: بالوزن ، يمثل ما يصل إلى 30٪ من جميع البروتينات النباتية القابلة للذوبان في الماء ، مما يجعله البروتين الأكثر وفرة على هذا الكوكب.

البلاستيدات الخضراء في الخلايا الورقية

أنواع التمثيل الضوئي

تمتلك الكائنات الحية نوعين من الصبغات التي يمكنها أداء وظيفة مستقبلات التمثيل الضوئي (الهوائيات). 

في الغالبية العظمى من الكائنات الحية ، دور الهوائياتلعب الكلوروفيل. أقل شيوعًا هو الحالة التي تعمل فيها شبكية العين المشتقة من فيتامين أ كهوائي. وفقًا لهذا ، يتم تمييز التمثيل الضوئي الخالي من الكلوروفيل والكلوروفيل.

• التمثيل الضوئي الخالي من الكلوروفيل

يختلف نظام التمثيل الضوئي الخالي من الكلوروفيلبساطة كبيرة في التنظيم ، حيث يُفترض تطوريًا أن تكون الآلية الأساسية لتخزين طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي. كفاءة التمثيل الضوئي الخالي من الكلوروفيل كآلية لتحويل الطاقة منخفضة نسبيًا (يتم نقل H + واحد فقط لكل كمية ممتصة).

• التمثيل الضوئي للكلوروفيل

يختلف التمثيل الضوئي للكلوروفيل عنبكتريورودوبسين بكفاءة تخزين طاقة أعلى بشكل ملحوظ. يتم نقل H + واحد على الأقل لكل كمية من الإشعاع الممتص بشكل فعال ضد التدرج اللوني.

غير مؤكسد

يحدث التمثيل الضوئي غير المؤكسد (أو نقص الأكسجين) بدون تطور الأكسجين. البكتيريا الأرجواني والأخضر ، وكذلك البكتيريا ، قادرة على التمثيل الضوئي غير المؤكسد.

أكسجين

التمثيل الضوئي الأكسجين أو الأكسجينمصحوبًا بإطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي. في عملية التمثيل الضوئي الأكسجين ، يحدث النقل الإلكتروني غير الدوري ، على الرغم من أنه في ظل ظروف فسيولوجية معينة ، يحدث النقل الإلكتروني الدوري فقط. يتم استخدام مانح إلكترون ضعيف للغاية ، وهو الماء ، كمانح للإلكترون في تدفق غير دوري.

الجوع في الزراعة

عدد سكان العالم رغم الثانيالتحول الديموغرافي يتزايد باستمرار. وإذا تمكنا من زيادة الخصوبة حسب الرغبة بما يتناسب مع النمو السكاني، فلن تنشأ مشكلة كبيرة.

ومع ذلك، فقد أتقن الناس اليوم حوالي الثلثالأراضي الصالحة للزراعة. لقد تم حرث جميع الأراضي المناسبة تقريبًا في جنوب آسيا والشرق الأوسط وأمريكا الشمالية، كما أن تطوير المناطق المتبقية يهددنا بالتآكل.

ربما ينفد المكان على الكوكب ، لذلك نحن بحاجة إلى إيجاد طرق جديدة لزيادة إنتاج الغذاء. لقد تم بالفعل القيام بذلك من قبل.

آخر مرة حدث فيها هذا كان بسبب "الأخضرثورة "50-70 من القرن الماضي. بعد ذلك ، أدى تكاثر أنواع جديدة عالية الغلة من الحبوب ، وإدخال مبيدات الآفات وأنظمة الري المتقدمة إلى زيادة المحصول بشكل كبير - تقريبًا مرتين.

كيفية تسريع عملية التمثيل الضوئي

حجر الزاوية في هذه المشكلة هو الروبيسكو، وهو إنزيم سبق أن ناقشناه.

ومع ذلك، فقد تبين أن هذا ليس بهذه السهولة. فالطفرات الموجهة لبقايا الأحماض الأمينية الفردية لم تؤد إلى أي نتائج ملحوظة.

كما تم تطبيق طريقة التطور المباشر عليه.الإنزيمات: تقوم بإنشاء مجموعة ضخمة من متغيرات جينات روبيسكو عن طريق إدخال طفرات عشوائية. تم استخدام كل هذا التنوع على الإشريكية القولونية -  الإشريكية القولونية... باستخدام هذا النهج ، تمكن الباحثون من زيادة نشاط بكتيريا Rubisco الزرقاء ، والتي تعمل بشكل رائع في خلايا الإشريكية القولونية.

لكن طريقة مماثلة لم تنجح مع النباتات.بالإضافة إلى ذلك، يتم تجميع هذا الإنزيم من أجزاء من "مصنعين" مختلفين: فالجينات التي تشفر سلاسل روبيسكو لا توجد في نواة الخلية فحسب، بل أيضًا في جينوم البلاستيدات الخضراء، مما يزيد من تعقيد عملية التلاعب بها. يتعين على الباحثين العمل مع جينومين في وقت واحد، باستخدام تقنيات تعديل وراثي مختلفة.

لكن العلماء لم يستسلموا.لقد توصلوا إلى فكرة جديدة: زيادة كمية الروبيسكو، حيث أن أوراق النباتات مليئة به حرفيًا. للقيام بذلك، استخدم المؤلفون أساليب الكائنات المعدلة وراثيا. ومع ذلك، فإن الإفراط في التعبير عن جينات روبيسكو وحده لم يكن كافيًا -  كان هناك شيء آخر مفقود لتجميع الإنزيم.

على مر السنين ، اتضح ذلك في التجمعتشارك Rubisco في العديد من حزم البروتين - RAF1 و RAF2 (عامل تجميع RuBisCO). تميل هذه البروتينات القابلة للطي (المسماة chaperones) إلى تثبيت سلسلة البروتين المحصودة أثناء التجميع ، مما يمنحها وقتًا للطي بشكل صحيح.

كانت هذه مشكلة الأعمال السابقة:في الواقع، قامت جينات روبيسكو بتصنيع البروتين "لبنات بناء" الإنزيم بنشاط، لكن عدم وجود مرافقين لم يسمح بتجميع كمية كافية من روبيسكو من سلاسل البولي ببتيد شبه الجاهزة. كما كان من الضروري زيادة عدد المرافقين.

لذلك ، أخذ المؤلفون هذه الشروط في الاعتبار ، ونتيجة لذلك ، زاد المحتوى الكلي للروبيسكو في أوراق الذرة المحورة جينيا بنسبة 30٪.

لهذا السبب ، ليس كل الإنزيم الإضافي موجودًا على الإطلاقشارك في عملية التمثيل الضوئي. ومع ذلك ، على الرغم من كل شيء ، فقد نما التثبيت النهائي لثاني أكسيد الكربون بنسبة 15٪ على أي حال ، مما أدى إلى تسريع نمو الذرة المعدلة وراثيًا بشكل كبير.

ونتيجة لدراسة أجراها علماء صينيون في عام 2020، أمكن تسريع عملية التمثيل الضوئي للطحالب والزهور. قام العلماء بتسريع عملية التمثيل الضوئي للطحالب الخضراءشلوريلا بيرينويدوزاوالنباتات العليانبات الأرابيدوبسيس thalianaباستخدام بوليمر حصاد الضوء. زاد البوليمر من نشاطه في أنظمة التمثيل الضوئي بسبب الارتباط الكهروستاتيكي والكاره للماء بجدران خلايا التمثيل الضوئي.

وفقا للمؤلفين ، بفضل القدرة الجيدةلامتصاص الضوء الأخضر وقابلية الذوبان في الماء والتوافق الحيوي ، من المحتمل أن تكون هذه البوليمرات الاصطناعية مناسبة للاستخدام في إنتاج الوقود الحيوي ، فضلاً عن الطاقة والتنمية البيئية.

استنتاج

حاليًا ، الخلايا الكهروضوئية ،تعمل في بيئة مائية ، فهي فعالة ، ولكن من الواضح أنها غير كاملة. لا يزال التمثيل الضوئي الاصطناعي فعالًا جدًا كأداة لربط الكربون الجوي ، وفي نفس الوقت ينتج تدفقًا ثابتًا للجسيمات المشحونة (البروتونات والإلكترونات).

وبالتالي ، يمكن دمج الخلايا الضوئية مع الألواح الشمسية - على سبيل المثال ، المثبتة بالفعل على أسطح المنازل الخاصة في الولايات المتحدة.

يمكن للبطارية الشمسية أن تتخلى عن بعضهاالطاقة المستلمة للتحليل الكهربائي. وفي هذه الحالة، ستشارك الخلايا الكهروضوئية المرتبطة بها في ربط ثاني أكسيد الكربون وتقسيم الماء لإنتاج الهيدروجين، والذي بدوره يعد وقودًا صديقًا للبيئة.

تطوير المحفزات لمثل هذه العملياتسيسمح لنا ألا نقتصر على إعادة إنتاج عملية التمثيل الضوئي العادية، بل تصنيع البروتينات أو الإنزيمات، على سبيل المثال. لقد تعلمنا بالفعل كيفية قياس حجم الألواح الشمسية، حتى نتمكن من توسيع نطاق الخلايا الكهروضوئية معها.

أيضًا ، يمكن أن تساهم هذه التقنيات في تحلل النفايات السامة أو البلاستيك ، مما ينتج الهيدروجين والطاقة كمخرجات.

قراءة المزيد:

يصطدم جبل الجليد العملاق A74 بساحل القارة القطبية الجنوبية

تم اكتشاف نوعين جديدين من الديناصورات في الصين

ما هو تأثير كيسلر ، ومتى وما الذي سيؤدي إليه اصطدام الأقمار الصناعية في المدار؟