Безклітинні системи в біотехнології. Мембрани хлоропластів

Американський вчений М. Кальвін, чиї дослідження в галузі вивчення механізму фотосинтезу були відмічені Нобелівською премією, у 1972 році висунув ідею створення фотоелементу, в якому в якості джерела електричного струму слугували мембрани хлоропластів. Основний компонент таких мембран – хлорофір, здатний при освітленні віддавати і приймати електрони. В якості провідника, контактуючого з хлорофілом, Кальвін використовував оксид цинку. Мембрани, що містили хлорофіл, поміщали в розчин ферментів, які діяли як каталізатори ЕТЦ. На світлі відбувається фотоліз води: Н₂О → Н₂ + 1/2 О₂. При освітленні цієї системи в ній також виникав електричний струм густиною 0,1 мкА на см². Такий фотоелемент функціонував недовго, оскільки хлорофіл швидко втрачав здатність віддавати електрони. Для того, щоб продовжити час дії фотоелементу, було використане додаткове джерело електронів – гідрохінон. В такій системі хлорофіл віддавав не лише свої електрони, але й електрони гідрохінону. Одержаний таким чином фотоелемент площею 10 м² може володіти потужністю 1 кВт.

Японський вчений Фудзіо Такахасі для одержання електроенергії використовував хлоропласти з листків салату. Транзисторний приймач, до якого була приєднана така сонячна батарея, успішно працював.

Якщо із системи вилучити провідник та індукувати утворення водню і кисню, то система може служити також прототипом фотореактору, за допомогою якого енергія сонця запасається в цінному паливі – водні.

Переваги системи:

– наявність надлишку субстрату – води;

– необмежене джерело енергії – Сонце;

– продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;

– продукт має високу тепло утворюючу здатність (29 ккал/г) в порівнянні з вуглеводами (3,5 ккал/г);

– процес протікає при нормальній температурі без утворення проміжних токсичних речовин;

– процес циклічний, так як при окисленні продукту утворюється субстрат – вода.

Мембрани хлоропластів можна іммобілізувати, закріплюючи їх в гелі.

Одержання фотогальванічних елементів з використанням бактеріальних мембран

Інший механізм перетворення енергії існує у галофільних бактерій. Halobacterium halobiumвикористовують енергію світла, яка поглинається пурпуровим пігментом бактеріородопсином, який знаходиться в мембрані клітин. Цей білок з незвичайними властивостями був виділений і описаний у 1973 році У. Стохеніусом і Д. Остерхельтом. З його допомогою бактерій вловлюють енергію Сонця. Поглинання світла викликає хімічні і фізичні перетворення в молекулі пігменту, які призводять до переносу протонів з одного боку мембрани на інший, при цьому електрохімічний градієнт. Різниця потенціалів може бути використана для генерації електричного струму.

Бактеріородопсин нескладно виділити з бактерій. Для цього бактерії поміщають у воду, де вони переповнюються водою і лопаються. Мембрани, що що містять бактеріородопсин, не руйнуються у воді через міцну упаковку молекул пігменту, які утворюють білкові кристали – так звані фіолетові бляшки. В них молекули бактеріородопсину об’єднані в тріади, а тріади – в правильні шестикутники. Бляшки крупні, легко відділяються центрифугуванням. Після промиваня осаду утворюється паста фіолетового кольору. На 75 % вона складається з бактеріородопсину і на 25 % з фосфоліпідів, які заповнюють проміжки між білковими молекулами.

Бактеріородопсин стійкий до факторів зовнішнього середовища: не втрачає активність при нагріванні до 100С, зберігається в холодильнику роками, стійкий до кислот і хімічних окислюючих агентів. Стійкі й фосфоліпіди фіолетових бляшок.

H.halobium можна культивувати у водоймах з високою концентрацією хлористого натрію та інших мінеральних солей. З 10 літрів бактеріальної культури одержують 0,5 грамів мембран, які містять 100000 молекул пігменту. Бактеріородопсин осаджують за допомогою катіонів кальцію або іншим способом. Пігмент можна фіксувати на підкладках, які володіють хімічними і фізичними властивостями для транспорту протонів, і створювати на їх основі системи, що генерують електричний струм. При освітленні таких систем на мембрані виявляється електричний потенціал, тобто бактеріородопсин функціонує як генератор електричного струму. В лабораторії В.П. Скулачева були створені фотогальванічні елементи для генерування струму силою 800 мкА. В них застосовувались мембранні фільтри, просочені фосфоліпідами з бактеріородопсином і хлорофілом. Такі фільтри, сполучені послідовно, можуть служити в якості електричної батареї.