하이브리드 배터리는 시아노박테리아에 전기를 공급하여 광합성을 충전합니다.

미생물 광전지 시스템(MEPS)의 다이어그램. 광계 II가 없는 유전자 조작 미생물을 사용하여 매우 높은 광도를 흡수하고 손상 없이 광합성 활동을 계속할 수 있습니다.

세계의 재생 에너지 용량은 최근 몇 년 동안 크게 증가했으며 고무적인 속도로 계속 증가하고 있습니다. 이것은 금세기의 가장 큰 도전인 잠재적으로 재앙적인 기후 변화를 피하려는 인류의 사명에 좋은 소식입니다. 문제는 재생 에너지 채택률이 아직 궤도에 오르지 않고 있다는 것입니다. 부분적으로는 에너지에 대한 엄청난 수요가 빠른 속도로 증가하고 있기 때문입니다. 따라잡기 게임은 우리가 생각하는 모자를 쓰고 에너지 믹스에 깨끗한 신기술을 던질 것을 요구합니다. 그리고 그러한 도전에 직면했을 때 영감을 얻기 위해 자연을 찾는 것이 좋습니다.

이를 염두에 두고 Arizona State University의 연구원들은 10억 년 이상 동안 식물과 많은 동물이 태양으로부터 에너지를 끌어낼 수 있도록 하는 자연적 과정을 이용했습니다. 팀은 대학원생이 이끌고 있습니다. 크리스틴 루이스, 하이브리드 장치(일부는 배터리, 일부는 유기체)로 박테리아가 생산하는 광합성으로부터 에너지 흐름을 증가시킬 수 있습니다. 연구자들은 이 접근법을 미생물 전기광합성 또는 MEPS라고 부릅니다.

개념 증명은 결국 운송 연료, 플라스틱, 인간 및 동물 보조제, 농약 및 의약품과 같은 광범위한 에너지 응용 분야에 적합한 새로운 기술로 이어질 수 있습니다.

이 프로젝트에는 에너지 전달과 관련된 퍼즐 해독이 포함됩니다. 구체적으로는 광합성에서 전자수송 사슬의 후반부를 활용해 인공에너지를 자연광합성과 연결시키는 작업을 하고 있다”며 “이 연구의 목적은 광합성을 마음대로 켤 수 있는 능력을 갖게 하고 궁극적으로는 광합성을 가능하게 하는 것”이라고 말했다. 보다 효율적이고 안정적인 에너지 제품을 생산합니다.”

자연을 가다듬다

대규모 광합성의 진화는 지구 생명체를 형성한 가장 중요한 사건 중 하나입니다. 이 과정은 전체 생태계를 지탱할 박테리아와 식물을 먹였을 뿐만 아니라 대기 산소 수준을 크게 증가시켜 처음부터 지구를 살 수 있게 만들었습니다. 우리와 다른 복잡한 생명체가 오늘날까지 호흡하는 산소.

뼈가 벗겨진 광합성은 물, 햇빛, 이산화탄소를 식물과 박테리아의 성장을 지원하는 에너지로 바꿉니다. 이 자연적인 과정은 전자를 흡수하고 전달하기 위해 함께 작동하는 광계 I 및 광계 II라고 하는 두 개의 막 단백질 복합체 덕분에 가능합니다. 전자의 주요 기능은 NADPH라는 분자의 생성이며, 후자는 ATP(글루코스로 만들어진 살아있는 세포의 에너지 통화)의 합성과 함께 물의 가수분해에 의해 점유됩니다.

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과학자들은 햇빛을 사용하여 이산화탄소를 에틸렌, 메탄올 및 에탄올과 같은 고부가가치 화합물로 전환시키는 소위 “인공 잎” 기술을 개발하여 이러한 과정을 모방하려고 시도했습니다. 그러나 몇 가지 문제가 있습니다.

광합성은 물을 수소와 산소로 분해하는 데 매우 효율적이지만 — 예를 들어 식물의 광합성 시스템 II 단백질은 이를 초당 수천 번 수행합니다 — 빛이 유용한 화학 에너지로 변환되는 속도는 고주파 에너지 요구 사항에 적합하지 않습니다 우리의 문명이 필요합니다.

이에 대한 한 가지 이유는 식물이 고강도 햇빛에 노출될 때와 같이 광합성 유기체가 한 번에 너무 많은 전자에 노출될 때 완전히 비활성화되거나 파괴되는 광계 II와 관련이 있습니다.

루이스와 동료들은 두 번째 광합성 성분 없이 전자를 광합성하는 남조류를 유전적으로 변형함으로써 이 문제를 해결할 수 있었다. 박테리아는 배터리 음극에 부착되며, 이를 통해 전자가 박테리아의 전자 수송 사슬로 전달되며, 그 과정에서 일부 화학 매개체의 도움을 받습니다.

결과적으로 박테리아는 태양 에너지 대신 외부 에너지원을 사용하여 광계 I 경로를 사용하여 광합성을 수행합니다. 그러나 하이브리드 전원 시스템은 그렇지 않으면 해로울 수 있는 고강도 조명에서도 작동합니다.

연구원들은 태양광 패널이 광합성 반응기에 외부 전력을 제공하는 설정을 구상하고 있습니다. 광전지는 박테리아나 식물보다 빛으로부터 더 넓은 스펙트럼의 에너지를 수확할 수 있으며 일반적으로 가시광선 적색광으로 제한됩니다. 여분의 전자로 변형된 박테리아는 더 넓은 스펙트럼의 빛에서 놀라운 광합성을 수행할 수 있습니다. 미래에는 이러한 유형의 하이브리드 광합성이 태양열 및 풍력 에너지와 같은 잘 확립된 재생 가능 자원과 결합하여 증가하는 에너지 수요를 보충하고 더러운 화석 연료를 대체할 수 있습니다.

2050년까지 글로벌 확장이 현재 진행 중인 속도로 진행되면 에너지 수요가 공급을 초과할 것입니다. 그러나 이제 우리는 효율적이고 깨끗한 에너지를 제공하는 방법을 알아낼 수 있습니다.”라고 Lewis는 말합니다. “내 목표는 이 큰 파란색 대리석을 더 나은 장소로 만드는 데 도움이 될 다음 ‘해킹’에 기여하는 것입니다.”

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결과는 다음과 같이 보고됩니다. 미국 화학 학회지.

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