Химики создали гибридную систему бактерий и нанопроволоки, которая улавливает энергию солнечного света и передает ее бактериям, превращая углекислый газ и воду в органические молекулы и кислород. На Земле такой биогибрид мог бы удалять углекислый газ из атмосферы. На Марсе это обеспечит колонистов сырьем для производства органических соединений - от топлива до лекарств. Эффективность выше, чем фотосинтетическая эффективность большинства растений.
Если люди когда-нибудь надеются колонизировать Марс, поселенцы должны будут производить на планете огромное количество органических соединений, которые слишком дороги для доставки с Земли. В калифорнийском университете Беркли совместно с национальной лабораторией Лоуренса (Berkeley Lab) химики разработали план для реализации этой идеи.
В течение последних восьми лет исследователи работали над гибридной системой, объединяющей бактерии и нанопроволоки, которые могут улавливать энергию солнечного света, превращая углекислый газ и воду в строительные блоки для органических молекул.
Нанопроволоки - это тонкие кремниевые проволоки диаметром примерно в одну сотую человеческого волоса, используемые в качестве электронных компонентов, а также в качестве датчиков и солнечных элементов.
«На Марсе около 96% атмосферы составляет CO2. По сути, все, что нам нужно, - это кремниевые полупроводниковые нанопроволоки, чтобы получить солнечную энергию и передать ее бактериям для получения химических процессов. В дальнем космическом полете у биологических систем есть то преимущество, что они самовоспроизводятся: вам не нужно брать большой груз в космическеский полет. Вот почему наша биогибридная версия очень привлекательна », - сказал руководитель проекта Пейдонг Янг, профессор химии в Калифорнийском университете в Беркли.
Кроме солнечного света нужна еще вода, которой на Марсе относительно много в полярных ледяных шапках скорее всего под землей на большей части планеты.
Биогибрид также может вытягивать углекислый газ из воздуха на Земле, образуя органические соединения и одновременно противодействовать изменению климата, вызванному избытком антропогенного CO2 в атмосфере.
Исследователи сообщают также о важном этапе упаковки этих бактерий (Sporomusa ovata) в «оболочку нанопроволоки» для достижения рекордной эффективности: 3,6% поступающей солнечной энергии преобразуется и хранится в углеродных связях в форме двухуглеродной молекулы, называемой ацетатом, по существу, уксусной кислоты.
Молекулы ацетата могут служить строительными блоками для целого ряда органических молекул, от топлива и пластмасс до лекарств. Многие другие органические продукты могут быть получены из ацетата внутри генноинженерных организмов, таких как бактерии или дрожжи.
Система работает подобно фотосинтезу, благодаря которому растения естественным образом превращают углекислый газ и воду в соединения углерода, в основном сахара и углеводы. Растения, однако, имеют довольно низкую эффективность, обычно преобразуя менее половины процента солнечной энергии в соединения углерода. Система биогибрида сравнима с растением, которое лучше всего превращает СО2 в сахар - это сахарный тростник, эффективность которого составляет 4-5%.
Ян также работает над системами для эффективного производства сахара и углеводов из солнечного света и CO2, потенциально обеспечивая пищу для колонистов Марса.
Контроль pH
Когда Ян и его коллеги впервые продемонстрировали свой гибридный реактор с нанопроволочками и бактериями пять лет назад, эффективность преобразования в солнечную энергию составляла всего около 0,4% - сравнимо с растениями, но все еще низкая по сравнению с типичной эффективностью 20% или более для кремниевых солнечных панелей, которые преобразуют свет в электроэнергию. Около 15 лет назад Ян был одним из первых, кто превратил нанопроволоки в солнечные панели.
Первоначально исследователи пытались повысить эффективность путем упаковки большего количества бактерий на нанопроводах, которые передают электроны непосредственно бактериям для химической реакции. Но бактерии отделились от нанопроволоки, разорвав цепь.
В конце концов, исследователи обнаружили ошибку, поскольку они производили ацетат, снижая кислотность окружающей воды, то есть увеличивали pH и заставляли бактерии отделяться от нанопроволоки. В конце концов он и его ученики нашли способ сделать воду немного более кислой, чтобы противодействовать эффекту повышения pH в результате непрерывного производства ацетата. Это позволило им упаковать гораздо больше бактерий в оболочку нанопроволок, увеличив эффективность почти в 10 раз. Они смогли эксплуатировать реактор на параллельных нанопроволочках в течение недели без отслоения бактерий.
В этом эксперименте нанопроволоки использовались только в качестве проводящих ток проводов, а не в качестве солнечных поглотителей. Энергию же обеспечивала внешняя солнечная панель.
В реальной системе, нанопроволоки будут поглощать свет, генерировать электроны и транспортировать их к бактериям. Бактерии поглощают электроны и, подобно тому, как растения производят сахара, превращают две молекулы углекислого газа и воды в ацетат и кислород.
«Эти кремниевые нанопроволоки в основном похожи на антенну: они захватывают солнечный фотон, как солнечная панель», - сказал Ян. «Внутри этих кремниевых нанонитей они будут генерировать электроны и кормить их этими бактериями. Затем бактерии поглощают CO2, производят органические вещества и ацетат».
Кислород является побочным эффектом, и на Марсе сможет наполнить искусственную атмосферу для колонистов.
Впоследствии Ян усовершенствовал гибридную систему таким образом, чтобы встроить квантовые точки в собственную мембрану бактерий, которые действуют как солнечные панели, поглощая солнечный свет и устраняя потребность в кремниевых нанопроводах. Эти бактерии-киборги также производят уксусную кислоту.
Его лаборатория продолжает искать способы повышения эффективности биогибрида, а также исследует методы генетической инженерии бактерий, чтобы сделать их более универсальными и способными производить различные органические соединения.
Исследования поддерживаются грантом NASA центру по использованию биологической инженерии в космосе (CUBES) в рамках работы университетов по разработке методов биопроизводства в космосе.
#нанотехнологии #колонизация марса #гибрид #генная инженерия