Mohou lidé „vyrobit“ fotosyntetizující list?

Když Peidong Yang z University of California v Berkley poprvé propojil živé organizmy křemíkovými drátky pod proudem, nikdo si nemyslel, že by to bylo k něčemu dobré. Experimenty ukázaly, že některé organizmy mohou nejenom přežít kontakt s elektrony procházejícími křemíkem, ale že potom mohou přežívat i celé týdny. Tím se otevírá naděje, že bychom mohli napodobit fotosyntézu a získávat energii ze slunečního záření.  Příroda ví, jak využívat chemii, a lidé zase vědí, jak vyrábět elektřinu. Může být zajímavé tyto znalosti propojit.

V časopise Science v roce 1912 vyšel článek italského chemika Giacoma Ciamiciana, který si tehdy položil otázku, zda by bylo možno využívat sluneční energii obdobným způsobem, jako to dělají listy rostlin. Do té doby využívali lidé sluneční energii konzervovanou ve formě fosilních paliv. Po více než sto letech dnes lidstvo realizuje jeho vizi. Průměrný sluneční panel na bázi pevných křemíkových krystalů přeměňuje 15 až 20 % slunečního záření na elektřinu. Ve srovnání s ním jsou rostliny mnohem méně výkonné: maximální množství sluneční energie, které rostliny mohou přeměnit na biomasu, je 4,5 %, ale v reálných podmínkách je to jen asi 1 %. Protože sluneční záření není k dispozici stále, je třeba vyrobenou elektřinu skladovat s pomocí baterií, které jsou drahé, velké a opotřebovávají se s každým dobíjením. Rostliny si vybudovaly důmyslný způsob pro případ, že slunce nesvítí: skladují si svou energii nikoliv na bázi nabitých částic, ale na bázi chemických vazeb, tj. vyrábějí si palivo. Paliva mají větší skladovací kapacitu než baterie. Rostliny využívají v rámci své biochemické aktivity vodu a s pomocí slunečního záření ji štěpí na kyslík, elektrony a nabité vodíkové ionty (protony). Protony a elektrony se pak slučují s oxidem uhličitým a vytvářejí cukry. Celý tento proces má své ochránce ve formě biomolekul, které mají složitou chemickou architekturu.

Chceme vodík místo cukru

V roce 2011 objevil Daniel G. Nocera, profesor energetiky na Harvardově univerzitě, jeden z nejlepších systémů, jak napodobit list. Je to vlastně křemíková oplatka impregnovaná katalyzátorem. Vypadá jako list rostliny. Po ponoření do vody v době, kdy slunce září, se začínají tvořit bublinky kyslíku a vodíku. Klíčovou úlohu zde hraje vodík. Je to palivo, které můžeme skladovat v tlakových nádobách nebo převést do palivových článků a odtud zase zpět převádět na elektřinu. Nocerovo úsilí ale nestačí k vyvolání energetické revoluce. Sny o vodíkovém hospodářství jsou na světě již mnoho desetiletí, ale zatím se neplní. Jedním z možných důvodů je to, že přeměna vodíku na elektřinu vyžaduje katalyzátory, které jsou velmi drahé a málo dostupné, což je například platina. Rostliny tento problém nemají, protože si skladují energii ve formě cukru, který mohou metabolizovat. Lidé by si přáli, aby syntetické listy dělaly něco podobného, tj. aby produkovaly palivo, které by bylo vhodné pro přímé využití v infrastruktuře. Toto palivo by sice ještě při spalování uvolňovalo CO₂, ale protože syntetické listy by ho v prvé řadě samy spotřebovávaly, čisté emise CO₂ by se blížily k nule. Zatím víme, jak přeměnit sluneční energii na elektřinu (s pomocí fotovoltaiky), ale ještě ji neumíme přeměnit na palivo.

Spojíme list a bakterie

Rostliny jsou mistry v řízení biochemie syntézy paliva, lidské technologie zase umějí vyprodukovat elektrony. Otázka zní, zda by bylo možné spojením obou znalostí vytvořit novou verzi fotosyntézy, označovanou anglicky „turbocharged cyborg version of photosynthesis“. Nocera studuje tuto verzi od roku 2011 společně s Pamelou Silver z Harvardu. Vzali syntetický list štěpící vodu a produkující vodík a propojili ho s půdními bakteriemi Ralstonia eutropha. Bakterie se živily vodíkem a CO₂ a vyráběly biopalivo. V laboratoři se dělaly pokusy s různými bakteriemi k získání různých kapalných druhů alkoholového paliva. Fungovalo to však jenom částečně. Nocera vyvinul katalyzátor k výrobě vodíku, ale navíc vznikaly vysoce reaktivní atomy kyslíku, které ochromily biochemický aparát bakterií a bakterie zahynuly během několika hodin. V roce 2016 Nocera vyvinul jiný biosyntetický systém štěpící vodu na vodík a kyslík při nízkém elektrickém napětí, založený na anorganickém katalyzátoru, který se k mikrobům choval přátelštěji. Výsledný bionický list byl dokonce levnější a účinnější než předcházející a dovedl přeměnit 10 % sluneční energie na palivo. Spotřeboval 180 gramů CO₂ na kilowatthodinu elektřiny. Propojení tohoto systému s fotovoltaickou instalací by přineslo snížení emisí CO₂ o téměř 10 %, což by překračovalo energetickou účinnost přirozených fotosyntetických systémů.

Fotosyntetizující kyborgové

Mezitím Peidong Yang z University of California v Berkley má v úmyslu jít s mikroby a elektřinou dál než Nocera. Chce krmit mikroby nikoliv vodíkem, ale elektrony. Nedávno bylo zjištěno, že některé druhy bakterií přežívají na čisté elektřině a konzumují elektrony. Je rovněž známo, že mikrobi Geobacter mohou pohlcovat elektrony a používat je při chemických reakcích. Ale Yang chtěl dělat zcela něco jiného. Jeho výzkumná skupina zjistila v roce 2013, že určité druhy nesyntetizujících bakterií mohou růst na křemíkových nanovláknech určených pro využívání světla. O dva roky později zjistili, že nanodrátky by mohly přenášet elektrony přímo do bakterií. Zdálo se, že bakterie jsou šťastné, živí se elektrony, CO₂ a vodou a produkují kapalná paliva na bázi uhlíku a kyslík. Potom ale došlo k výrazné změně plánu. Yang a kolektiv použili jinou nefotosyntetizující bakterii Moorella thermoacetica, která produkuje uhlovodík, a přidali směsi chemikálií, včetně kadmia a aminokyseliny cysteinové. Uviděli, že na povrchu bakterií se objevily světlo absorbující částice vytvořené ze sulfidu kademnatého. Vypadalo to tak, že si bakterie  vytvořily z chemikálií vlastní systém k získávání slunečního záření. Je to vlastně „živá továrna“ na výrobu paliva na bázi sluneční energie. Otázky ale zůstávají, zejména pokud jde o trvanlivost. Bakterie konzumující elektrony mohou v Yangově zařízení přežívat jen několik týdnů. Proto se Yang zaměřuje na pochopení jejich biochemie. Doufá, že se mu podaří zvýšit efektivitu procesu, označovaného jako „fotosyntetizující systém kyborgů“, jehož účinnost je dnes jen 2,5 %.

Palivo je drahé - vyrábějme čpavek!

Zatím syntetický list ve formě křemíkové oplatky není perspektivní, protože se neví, do jaké míry ho bude možno zvětšovat. Nocera nyní pracuje v Indii na pilotním zařízení, které by mohlo poskytnout jiná řešení. Náklady na výrobu paliva na bázi bionických listů zůstanou asi ještě dlouho vyšší než u těžby ropy a budou zapotřebí finanční intervence, než tato zařízení budou ekonomicky výhodná. Ale biologie dovede vyrábět i jiné fantastické chemikálie cenné pro společnost. Například čpavek, základní složku umělých hnojiv, jehož molekula se skládá z atomů dusíku a vodíku. V roce 2016 se ho vyrobilo 166 milionů tun. Při běžném sto let starém procesu se ale produkuje velké množství CO₂. Zkusme tedy nový způsob výroby čpavku, a to s případným využitím bionického listu. Určité druhy bakterií přeměňují atmosférický dusík přímo na čpavek. Když se bakterie vloží do roztoku, jímž probublává dusík a přidá se polovodič ze sulfidu kademnatého, získá se systém nazývaný „dekonstrukční umělý list“, který bude vyrábět čpavek pomocí slunečního záření. Můžeme odstranit živou buňku s její složitostí a pracovat jen s enzymem.

Bionické listy pro jiné planety

Yang vidí odlišnou cestu vpřed: nikoliv „dekonstrukční buňky“, ale jejich zdokonalení. V současné době jsou jeho „listy“ jednoduchými buňkami, což představuje balíček enzymů a biologický aparát uzavřený v membráně. Jestliže se z nich ale vyvinou složitější buňky, v nichž každá vnitřní jednotka bude určena k provádění speciálních chemických transformací, výsledkem mohou být buňky pracující jako technologické linky vyrábějící složité a zajímavé chemikálie. Protože s bakteriemi lze geneticky manipulovat, lze je přimět k tomu, aby produkovaly plasty, léky nebo sloučeniny, jejichž syntéza by jinak vyžadovala velké množství energie. Nocera se domnívá, že to bude právě tato aplikace, která se jako první ukáže být ekonomicky výhodná. Jestliže tyto procesy budou levnější, pak se stane výroba paliva teprve dalším důležitým krokem. Tyto myšlenky získaly výraznou podporu ze strany NASA – Center for Utilization of Biological Engineering in Space. V plánu této organizace je využití živých organizmů k výrobě důležitých produktů pro astronauty, včetně potravin, paliva a kyslíku. Předpokládá se, že bionické listy budou využívat dusík a CO₂ k produkci čpavku jako hnojiva pro rostliny a kyslíku k dýchání. Yang si dokonce dovede představit systém, který kombinuje různé druhy bionických buněk s různými funkcemi. Možná, že jednoho dne budou bionické listy konzumovat elektrony na jiné planetě.

(Zdroj: Anna Azvolinsky: Make like a leaf : New Scientist, 2017, č. 3121, s. 28 – 31)