การสังเคราะห์ด้วยแสงสังเคราะห์หรือแบบเร่ง: คุณจะปรับปรุงการตอบสนองที่สำคัญของชีวมณฑลได้อย่างไร

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นได้อย่างไร?

สาระสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือพลังงานของแสงที่มองเห็นจะถูกแปลงเป็น

พลังงานของพันธะเคมีของสารอินทรีย์

กล่าวอีกนัยหนึ่งด้วยความช่วยเหลือของพลังงานแสงในร่างกายขจัดอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลแล้วถ่ายโอนไปยังโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ ลดขนาดลงและเปลี่ยนให้เป็นโมเลกุลของอินทรียวัตถุซึ่งสามารถออกซิไดซ์ได้อีกครั้งเพื่อรับพลังงาน

ทั้งระบบของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชในรูปแบบเดียว: 6СО2 + 6H2O = กลูโคส (С6H12О6) + 6О2

หนึ่งในขั้นตอนสำคัญของคอมเพล็กซ์นี้และกระบวนการหลายขั้นตอน - การจับตัวของคาร์บอนไดออกไซด์ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น คาร์บอนไดออกไซด์จะเกาะติดกับสารประกอบที่เรียกว่า ไรบูโลส (1,5) บิสฟอสเฟต ซึ่งเป็นน้ำตาลที่มีกลุ่มฟอสเฟตสองกลุ่ม

และปฏิกิริยานี้ควบคุมโดยเอนไซม์ - ไรบูโลส บิสฟอสเฟต คาร์บอกซีเลส หรือรูบิสโก (RuBisCO) 

RuBisCO เป็นเอนไซม์ที่ประกอบด้วยโปรตีน 16 สายที่ซับซ้อนในคราวเดียว เอนไซม์ส่วนใหญ่จะกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงทางเคมีนับพันครั้งทุกๆ วินาที

อย่างไรก็ตาม Rubisco จัดการได้เพียง 3 ถึง 10โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นอยู่กับสภาวะ เอนไซม์คุณภาพต่ำเช่นนี้สามารถชดเชยได้ด้วยปริมาณเท่านั้น โดยน้ำหนัก คิดเป็นสัดส่วนถึง 30% ของโปรตีนจากพืชที่ละลายน้ำได้ทั้งหมด ซึ่งทำให้เอนไซม์นี้เป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในโลก

คลอโรพลาสต์ในเซลล์ใบ

ประเภทของการสังเคราะห์ด้วยแสง

สิ่งมีชีวิตมีเม็ดสีสองประเภทที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวรับการสังเคราะห์แสง (เสาอากาศ) ได้

ในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ บทบาทของเสาอากาศคลอโรฟิลล์เล่น; พบได้น้อยกว่าคือกรณีที่เรตินอลอนุพันธ์ของวิตามินเอทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ ด้วยเหตุนี้การสังเคราะห์ด้วยแสงที่ปราศจากคลอโรฟิลล์และคลอโรฟิลล์จึงแตกต่างกัน

• การสังเคราะห์ด้วยแสงที่ปราศจากคลอโรฟิลล์

ระบบสังเคราะห์แสงที่ปราศจากคลอโรฟิลล์นั้นแตกต่างกันความเรียบง่ายที่สำคัญขององค์กรซึ่งเกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการเพื่อเป็นกลไกหลักในการจัดเก็บพลังงานของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ประสิทธิภาพของการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ปราศจากคลอโรฟิลล์เป็นกลไกในการแปลงพลังงานค่อนข้างต่ำ (H + ถูกถ่ายโอนเพียงตัวเดียวต่อควอนตัมที่ดูดซับ)

• การสังเคราะห์ด้วยแสงคลอโรฟิลล์

การสังเคราะห์ด้วยแสงของคลอโรฟิลล์นั้นแตกต่างจากbacteriorhodopsin ที่มีประสิทธิภาพการจัดเก็บพลังงานที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ อย่างน้อยหนึ่ง H + ถูกถ่ายโอนไปยังแต่ละควอนตัมของรังสีที่ดูดซับอย่างมีประสิทธิภาพเทียบกับเกรเดียนต์

Anoxygenic

การสังเคราะห์ด้วยแสงจากออกซิเจน (หรืออะโนซิก) เกิดขึ้นโดยไม่มีการวิวัฒนาการของออกซิเจน แบคทีเรียสีม่วงและสีเขียว รวมทั้งเฮลิโอแบคทีเรียสามารถสังเคราะห์แสงจากออกซิเจนได้

ออกซิเจน

การสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจนหรือออกซิเจนพร้อมกับการปล่อยออกซิเจนเป็นผลพลอยได้ ในการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจน การขนส่งอิเล็กตรอนแบบไม่ใช้วัฏจักรจะเกิดขึ้น แม้ว่าภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยาบางอย่าง จะมีเพียงการขนส่งอิเล็กตรอนแบบวัฏจักรเท่านั้น น้ำผู้ให้อิเล็กตรอนที่อ่อนแออย่างยิ่งถูกใช้เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนในกระแสที่ไม่เป็นวัฏจักร

ความหิวโหยในการเกษตร

ประชากรโลกทั้งๆที่สองการเปลี่ยนแปลงทางประชากรศาสตร์มีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง หากเราสามารถเพิ่มอัตราการเจริญพันธุ์ได้ตามต้องการตามการเติบโตของประชากร ก็คงไม่เกิดปัญหาอะไรมากนัก

อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันนี้ผู้คนเชี่ยวชาญประมาณหนึ่งในสามที่ดินที่เหมาะสมสำหรับการเกษตร ดินแดนที่เหมาะสมเกือบทั้งหมดในเอเชียใต้ ตะวันออกกลาง และอเมริกาเหนือได้ถูกไถไปแล้ว และการพัฒนาพื้นที่ที่เหลือก็คุกคามเราด้วยการกัดเซาะ

พื้นที่บนโลกอาจหมดลงได้ เราจึงต้องหาวิธีใหม่ๆ ในการเพิ่มการผลิตอาหาร สิ่งนี้ได้ทำมาก่อนแล้ว

ครั้งสุดท้ายที่สิ่งนี้เกิดขึ้นเป็นเพราะ "สีเขียวการปฏิวัติ "50-70 ปีของศตวรรษที่ผ่านมา จากนั้น การผสมพันธุ์ธัญพืชที่ให้ผลผลิตสูง การแนะนำของยาฆ่าแมลง และระบบชลประทานขั้นสูงทำให้สามารถเพิ่มผลผลิตได้อย่างมากเกือบสองเท่า

วิธีเร่งการสังเคราะห์แสง

รากฐานสำคัญของปัญหานี้คือรูบิสโก ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่เราได้พูดคุยกันไปแล้ว

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้กลับกลายเป็นว่าไม่ใช่เรื่องง่าย การกลายพันธุ์โดยตรงของกรดอะมิโนที่ตกค้างแต่ละตัวไม่ได้นำไปสู่ผลลัพธ์ที่เห็นได้ชัดเจนใดๆ

เขายังได้ใช้วิธีการวิวัฒนาการโดยตรงอีกด้วยเอนไซม์: สร้างกลุ่มยีน Rubisco จำนวนมากโดยการแนะนำการกลายพันธุ์แบบสุ่ม พันธุ์ทั้งหมดนี้ใช้กับเชื้อ E. coli -  Escherichia coli... ด้วยวิธีนี้ นักวิจัยสามารถเพิ่มกิจกรรมของ Rubisco cyanobacteria ซึ่งทำงานได้ดีในเซลล์ E. coli

แต่วิธีการที่คล้ายกันนี้ใช้ไม่ได้ผลกับพืชนอกจากนี้ เอนไซม์นี้ยังประกอบจากส่วนของ "ผู้ผลิต" สองราย: ยีนที่เข้ารหัสสายโซ่ Rubisco ไม่เพียงแต่อยู่ในนิวเคลียสของเซลล์เท่านั้น แต่ยังอยู่ในจีโนมของคลอโรพลาสต์ด้วย ซึ่งทำให้การจัดการยุ่งยากขึ้น นักวิจัยต้องทำงานกับจีโนมสองรายการพร้อมกัน โดยใช้เทคนิคการดัดแปลงพันธุกรรมที่แตกต่างกัน

แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่ยอมแพ้พวกเขาเกิดแนวคิดใหม่: เพื่อเพิ่มปริมาณรูบิสโกเนื่องจากใบของพืชเต็มไปด้วยมันอย่างแท้จริง ผู้เขียนใช้วิธีการจีเอ็มโอเพื่อทำสิ่งนี้ อย่างไรก็ตาม การแสดงออกมากเกินไปของยีน Rubisco เพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอ -  มีอย่างอื่นขาดหายไปในการประกอบเอนไซม์

หลายปีผ่านไปปรากฏว่าในที่ประชุมRubisco มีส่วนร่วมในตัวแบ่งโปรตีนหลายตัว - RAF1 และ RAF2 (RuBisCO Assembly Factor) โปรตีนพับเหล่านี้ (เรียกว่าพี่เลี้ยง) มีแนวโน้มที่จะรักษาเสถียรภาพของสายโปรตีนที่เก็บเกี่ยวไว้ในระหว่างการประกอบ ทำให้มีเวลาในการพับอย่างเหมาะสม

นี่คือปัญหาของงานก่อนหน้านี้:จริงๆ แล้ว ยีน Rubisco สังเคราะห์โปรตีน "ส่วนประกอบ" ของเอนไซม์อย่างแข็งขัน แต่การขาด chaperone ทำให้ไม่สามารถประกอบ Rubisco จากสายโซ่โพลีเปปไทด์กึ่งสำเร็จรูปในปริมาณที่เพียงพอ จำเป็นต้องเพิ่มจำนวนพี่เลี้ยงด้วย

ดังนั้น ผู้เขียนจึงคำนึงถึงเงื่อนไขเหล่านี้ด้วย และด้วยเหตุนี้ ปริมาณรูบิสโกทั้งหมดในใบของข้าวโพดดัดแปลงพันธุกรรมจึงเพิ่มขึ้น 30%

ด้วยเหตุนี้เอ็นไซม์เพิ่มเติมจึงไม่ใช่ทั้งหมดเข้ามามีส่วนร่วมในกระบวนการสังเคราะห์แสง อย่างไรก็ตาม แม้จะมีทุกอย่าง การตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ขั้นสุดท้ายก็ยังเพิ่มขึ้น 15% อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ช่วยเร่งการเติบโตของข้าวโพดดัดแปลงพันธุกรรมได้อย่างมีนัยสำคัญ

จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ชาวจีนในปี 2020 พบว่าสามารถเร่งการสังเคราะห์แสงของสาหร่ายและดอกไม้ได้ นักวิทยาศาสตร์เร่งการสังเคราะห์แสงของสาหร่ายสีเขียวChlorella pyrenoidosaและพืชชั้นสูงArabidopsis thalianaโดยใช้โพลีเมอร์ที่ให้แสง พอลิเมอร์เพิ่มกิจกรรมในระบบสังเคราะห์แสงเนื่องจากการจับตัวของไฟฟ้าสถิตและไม่ชอบน้ำกับผนังของเซลล์สังเคราะห์แสง

ตามที่ผู้เขียนขอบคุณความสามารถที่ดีเพื่อดูดซับแสงสีเขียว ความสามารถในการละลายน้ำ และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ โพลีเมอร์สังเคราะห์เหล่านี้จึงเหมาะสำหรับใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ ตลอดจนการพัฒนาพลังงานและสิ่งแวดล้อม

ข้อสรุป

ปัจจุบัน เซลล์แสงอาทิตย์การกระทำในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำมีประสิทธิภาพ แต่ไม่ชัดเจน การสังเคราะห์ด้วยแสงประดิษฐ์ยังคงมีประสิทธิภาพในฐานะเครื่องมือในการจับคาร์บอนในชั้นบรรยากาศ และในขณะเดียวกันก็สร้างการไหลของอนุภาคที่มีประจุอย่างเสถียร (โปรตอนและอิเล็กตรอน)

ดังนั้นเซลล์สังเคราะห์แสงจึงสามารถใช้ร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์ได้ เช่น ติดตั้งบนหลังคาบ้านส่วนตัวในสหรัฐอเมริกาแล้ว

แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์สามารถแจกได้บ้างพลังงานที่ได้รับจากกระแสไฟฟ้า ในกรณีนี้ เซลล์แสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่ออยู่จะมีส่วนร่วมในการจับคาร์บอนไดออกไซด์และแยกน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน ซึ่งในทางกลับกัน ก็เป็นเชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับกระบวนการดังกล่าวจะทำให้เราไม่จำกัดตัวเองในการสร้างการสังเคราะห์ด้วยแสงธรรมดา แต่สามารถสังเคราะห์โปรตีนหรือเอนไซม์ได้ เราได้เรียนรู้วิธีปรับขนาดแผงโซลาร์เซลล์แล้ว ดังนั้นเราจึงสามารถปรับขนาดเซลล์แสงอาทิตย์ไปพร้อมกับพวกมันได้

นอกจากนี้ เทคโนโลยีดังกล่าวอาจมีส่วนช่วยในการสลายตัวของขยะพิษหรือพลาสติก ทำให้เกิดไฮโดรเจนและพลังงานออกมา

อ่านเพิ่มเติม:

ภูเขาน้ำแข็งยักษ์ A74 ชนกับชายฝั่งแอนตาร์กติกา

พบไดโนเสาร์ 2 สายพันธุ์ใหม่ในประเทศจีน

ผลกระทบของเคสเลอร์คืออะไรและการชนกันของดาวเทียมในวงโคจรจะนำไปสู่อะไรและเมื่อไหร่?