Artefarita fotosintezo: Malsamoj inter versioj

En la naturo, karbonon fiksas [[Plantoj|verdaj plantoj]] uzante la enzimon [[Rubisko|RuBisCO]] kiel parto de la Calvin-ciklo. RuBisCO estas sufiĉe malrapida katalizilo kompare al la vasta plimulto de aliaj enzimoj, enkorpigante nur kelkajn molekulojn de karbona dioksido en ribulozo-1,5-bisfosfato en unu minuto, sed tiel faras ĉe atmosfera premo kaj en mildaj, biologiaj kondiĉoj.<ref name="Ellis">{{Citaĵo elEllis J.R. (2010). "Tackling unintelligent design". Nature. 463 (7278): 164–165. Bibcode:2010Natur.463..164E. gazeto|doi=:10.1038/463164a}}. PMID 20075906. S2CID 205052478.</ref> La rezultinta produkto estas plue [[Redoksa reakcio|reduktita]] kaj poste uzita en la sintezo de [[glukozo]], kiu siavice estas antaŭprodukto antaŭ pli kompleksaj [[Karbonhidrato|karbonhidratoj]], kiel [[celulozo]] kaj [[amelo]]. La procezo konsumas energion en la formo de [[Adenozina trifosfato|ATP]] kaj [[NADPH]].

Artefarita CO₂-redukto por produkti brulaĵojn celas plejparte produkti reduktitajn karbonajn kombinaĵojn el atmosfera CO₂. Iuj [[Transirmetalo|transir-metalaj]] [[Fosfino|polyfosfinaj]] kompleksoj estis evoluigitaj tiucele; tamen, ili kutime bezonas antaŭan koncentriĝon de CO₂ antaŭ uzo kaj portantajn (molekulojn kiuj fiksus je CO₂) kiuj estas stabilaj en aerobiaj kondiĉoj kaj kapablaj koncentri CO₂ je atmosferaj koncentriĝoj ankoraŭ ne estas evoluigitaj.<ref name="Dubois">{{CitaĵoDubois, elM. Rakowski; Dubois, Daniel L. (2009). "Development of Molecular Electrocatalysts for CO2Reduction and H2Production/Oxidation". Accounts of Chemical Research. 42 (12): 1974–1982. gazeto|doi=:10.1021/ar900110c}}. PMID 19645445.</ref> La plej simpla produkto de CO₂-redukto estas [[Karbona monooksido|karbono monoksido]] (CO), sed por brulaĵa evoluado, plua redukto estas bezonata, kaj kerna paŝo ankaŭ bezonata pluan evoluadon estas la transigo de hidridaj anjonoj al CO.<ref name="Dubois" />

Kelkaj fotoaŭtotrofaj mikroorganismoj, sub specifaj kondiĉoj, povas produkti hidrogenon. [[Nitrogena fiksado|Nitrogeno-fiksantaj mikroorganismoj]], kiel filamentaj [[Cianobakterio|cianobakterioj]], posedas la enzimon [[Nitrogenazo|nitrogenazon]], kiu povas konverti atmosferan N₂ al [[amoniako]]; molekula hidrogeno estas flanka produkto de ĉi tiu reakcio kaj ofte ne estas liberigata de la mikroorganismo, sed enprenita per hidrogeno-oksidiga hidrogenazo. Unu metodo devigi ĉi tiujn organismojn produkti hidrogenon estas nuligi la elprenan aktivecon de la hidrogenazo. Tio ĉi estis farita ĉe variaĵo de ''Nostoc punctiforme'': unu el la strukturaj genoj de la NiFe-elprena-hidrogenazo estis malaktivigita de enmeta mutagenezo kaj la mutaciinta variaĵo montris hidrogenan eligon sub lampo.<ref name="Lindberg">{{CitaĵoLindberg, elPia; Schûtz, Kathrin; Happe, Thomas; Lindblad, Peter (November–December 2002). "A hydrogen-producing, hydrogenase-free mutant strain of Nostoc punctiforme ATCC 29133". International Journal of Hydrogen Energy. 27 (11–12): 1291–1296. gazeto|doi=:10.1016/S0360-3199(02)00121-0}}.</ref>

Multaj el ĉi tiuj fotoaŭtotrofoj ankaŭ havas dudirektajn hidrogenazojn, kiuj povas produkti hidrogenon sub specifaj kondiĉoj. Tamen, aliaj energio-devigantaj metabolaj reakcioj povas konkuri por la necesaj elektronoj por protona redukto, malpliigante la efikecon de la tuta procezo; ankaŭ, ĉi tiuj hidrogenazoj estas tre sensivaj al oksigeno.<ref name="Magnuson">{{Citaĵo el gazeto|doi=10.1021/ar900127h}}<cite class="citation journal cs1" data-ve-ignore="true" id="CITEREFMagnusonAnderlund,_MagnusJohansson,_OlofLindblad,_Peter2009">Magnuson, Ann; Anderlund, Magnus; Johansson, Olof; Lindblad, Peter; Lomoth, Reiner; Polivka, Tomas; Ott, Sascha; Stensjö, Karin; Styring, Stenbjörn; Sundström, Villy; Hammarström, Leif (December 2009). [https://zenodo.org/record/3424059 "Biomimetic and Microbial Approaches to Solar Fuel Generation"]. ''Accounts of Chemical Research''. '''42''' (12): 1899–1909. [[Cifereca objekta identigilo|doi]]:[[doi:10.1021/ar900127h|10.1021/ar900127h]]. [[PubMed|PMID]]&nbsp;[//pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19757805 19757805].</cite></ref>

Pluraj karbono-bazitaj biobrulaĵoj ankaŭ produktiĝis uzante cianobakteriojn, ekzemple, 1-butanolo.<ref name="Lan">{{Citaĵo el gazeto|doi=10.1016/j.ymben.2011.04.004}}</ref>

Sintezaj biologiaj teknikoj estas antaŭviditaj esti utilaj por ĉi tiu temo. Mikrobiologiaj kaj enzimaj teknologioj havas la eblecon plibonigi enziman efikecon kaj fortikon, kaj konstrui novan biobrulaĵon-produktantan metabolan reakcion en fotoaŭtotrofoj kiuj antaŭe ne havis ilin aŭ pliboniĝi ol la ekzistantaj.<ref name="Magnuson">{{Citaĵo el gazeto|doi=10.1021/ar900127h|url=https://zenodo.org/record/3424059}}<cite class="citation journal cs1" data-ve-ignore="true" id="CITEREFMagnusonAnderlund,_MagnusJohansson,_OlofLindblad,_Peter2009">Magnuson, Ann; Anderlund, Magnus; Johansson, Olof; Lindblad, Peter; Lomoth, Reiner; Polivka, Tomas; Ott, Sascha; Stensjö, Karin; Styring, Stenbjörn; Sundström, Villy; Hammarström, Leif (December 2009). [https://zenodo.org/record/3424059 "Biomimetic and Microbial Approaches to Solar Fuel Generation"]. ''Accounts of Chemical Research''. '''42''' (12): 1899–1909. [[Cifereca objekta identigilo|doi]]:[[doi:10.1021/ar900127h|10.1021/ar900127h]]. [[PubMed|PMID]]&nbsp;[//pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19757805 19757805].</cite></ref><ref name="Lan">{{Citaĵo el gazeto|doi=10.1016/j.ymben.2011.04.004}}<cite class="citation journal cs1" data-ve-ignore="true" id="CITEREFLanLiao,_James_C.2011">Lan, Ethan I.; Liao, James C. (July 2011). "Metabolic engineering of cyanobacteria for 1-butanol production from carbon dioxide". ''Metabolic Engineering''. '''13''' (4): 353–363. [[Cifereca objekta identigilo|doi]]:[[doi:10.1016/j.ymben.2011.04.004|10.1016/j.ymben.2011.04.004]]. [[PubMed|PMID]]&nbsp;[//pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21569861 21569861].</cite></ref> Alia temo evoluigataevoluiganta estas optimumigila fotobioreakciujojnoptimumigo de fotobioreakciujoj por komercaj aplikojaplikaĵoj.<ref>Kunjapur, Aditya M.; Eldridge, R. Bruce (2010). name="KunjapurPhotobioreactor Design for Commercial Biofuel Production from Microalgae">{{Citaĵo. elIndustrial and Engineering Chemistry Research. 49 (8): 3516–3526. gazeto|doi=:10.1021/ie901459u}}.</ref>

Esploro en artefarita fotosintezo estas nepre plurfaka temo, deviganta multajn malsamajn kompetentecojn.<ref name="Magnuson">{{Citaĵo el gazeto|doi=10.1021/ar900127h|url=https://zenodo.org/record/3424059}}<cite class="citation journal cs1" data-ve-ignore="true" id="CITEREFMagnusonAnderlund,_MagnusJohansson,_OlofLindblad,_Peter2009">Magnuson, Ann; Anderlund, Magnus; Johansson, Olof; Lindblad, Peter; Lomoth, Reiner; Polivka, Tomas; Ott, Sascha; Stensjö, Karin; Styring, Stenbjörn; Sundström, Villy; Hammarström, Leif (December 2009). [https://zenodo.org/record/3424059 "Biomimetic and Microbial Approaches to Solar Fuel Generation"]. ''Accounts of Chemical Research''. '''42''' (12): 1899–1909. [[Cifereca objekta identigilo|doi]]:[[doi:10.1021/ar900127h|10.1021/ar900127h]]. [[PubMed|PMID]]&nbsp;[//pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19757805 19757805].</cite></ref> Kelkaj teknikoj utiligitaj por fari kaj esplori katalizilojn kaj sunajn ĉelojn inkluzivas la jenajn:

* Materialoj uzitaj por artefarita fotosintezo ofte korodiĝas en akvo, do ili eble estas malpli stabilaj ol [[Fotovoltaiko|fotovoltaikoj]] dum longaj periodoj. Plejmultaj hidrogenaj kataliziloj estas tre sensivaj al oksigeno, malaktiviĝi aŭ degeneri en ties ĉeesto; ankaŭ, lumdamaĝo eble okazos dum tempo.<ref name="Andreiadis"/><ref name="Krassen">{{CitaĵoKrassen, elHenning; gazeto|doi=10Ott, Sascha; Heberle, Joachim (2011).1039/C0CP01163K}} "In vitro hydrogen production—using energy from the sun". Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (1): 47–57. </ref>

* La kosto ne estas (ankoraŭ) sufiĉe avantaĝa por konkuri kun [[Fosilia brulaĵo|fosiliaj brulaĵoj]] kiel komerce realigebla fonto de energio.<ref name="economist1"/>

Zorgo kutime traktita en katalizila fasonado estas efikeco, precipe kiom el la incida lumo povas uziĝi en sistemo en praktiko. Tio ĉi estas komparebla kun fotosinteza efikeco, kie lumo-al-kemia-energia konvertiĝo mezuriĝas. Fotosintezaj organismoj kapablas kolekti ĉirkaŭ 50% el incida suna radiado, tamen la teoria limo de fotosinteza efikeco estas 4,6 kaj 6,0% por [[C3-tipa fotosintezo|C3]] kaj [[C4-tipa fotosintezo|C4]] plantoj respektive.<ref>Blankenship, Robert E.; Tiede, David M.; Barber, James; Brudvig, Gary W.; Fleming, Graham; Ghirardi, Maria; Gunner, M. R.; Junge, Wolfgang; Kramer, David M.; Melis, Anastasios; Moore, Thomas A.; Moser, Christopher C.; Nocera, Daniel G.; Nozik, Arthur J.; Ort, Donald R.; Parson, William W.; Prince, Roger C.; Sayre, Richard T. (13 May 2011). "Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement". Science. 332 (6031): 805–809. Bibcode:2011Sci...332..805B. doi:10.1126/science.1200165. PMID 21566184. S2CID 22798697.</ref> En realo, la efikeco de fotosintezo estas multe malpli malalta kaj estas kutime sub 1%, kun kelkaj esceptoj, kiel sukerkano en tropika klimato. En kontrasto<ref>Armaroli, laNicola; plej alta raportita efikeco por artefarita fotosintezoBalzani, enVincenzo laboritoriaj(2016). prototipoj,"Solar estasElectricity 22,4%.and Tamen,Solar plantojFuels: estasStatus efikajand uzantePerspectives CO₂in jethe atmosferajContext koncentriĝoj,of iothe kiunEnergy artefaritajTransition". katalizilojChemistry ankoraŭ– neA povasEuropean fariJournal.<ref name="Biello">{{Citaĵo22 el(1): la32–57. reto|url=httpdoi:10.1002//wwwchem.scientificamerican201503580.com/article PMID 26584653.cfm?id=plants-versus-photovoltaics-at-capturing-sunlight}}</ref>