חוקרים מגרמניה וצרפת פיתחו קולט שבונה תרכובות עתירות אנרגיה בעזרת אור השמש, על ידי שילוב של מרכיבים טבעיים וסינתטיים

אחד התהליכים המופלאים ביותר בעולמנו הוא הפוטוסינתזה, שמנצלת את אנרגיית השמש כדי לבנות תרכובות סוכר עשירות באנרגיה מפחמן דו-חמצני וממים, ומשחררת חמצן כתוצר לוואי. זהו תהליך ביולוגי חיוני שמבצעים צמחים, אצות וחיידקים מסוימים, ובלעדיו לא היו קיימים חיים מורכבים בכדור הארץ כפי שאנו מכירים אותם. בצמחים, התהליך מתבצע בדרך כלל בעלים, במבנים חלבוניים השוכנים בתוך אברון שנקרא כלורופלסט.

במחקר שהתפרסם בכתב העת Science, חוקרים ממעבדותיהם של פרופ' טוביאס ארב (Erb) בגרמניה וז'אן-כריסטוף בארֶה (Baret) בצרפת פיתחו מערכת להפקת אנרגיה כימית בהשראת עקרון הפוטוסינתזה, במטרה לייצר באופן מלאכותי תרכובות סוכר שימושיות. הם הצליחו לפתח מבנים שמאפשרים להמיר פחמן דו-חמצני לסוכר בעזרת אור, וכך מחקים את הפעילות הטבעית של הכלורופלסט.

מהתרד למעבדה

החוקרים בודדו מכלורופלסטים טבעיים של תרד קרומים הנקראים תילקואידים, שעליהם נמצאים המבנים החלבוניים שלוכדים את אנרגיית השמש בתהליך הפוטוסינתזה. התילקואידים גם מזרזים יצירת מולקולות עשירות באנרגיה, שמניעות תהליכים תאיים רבים אחרים בחלקים נוספים של הצמח.

כשחשפו את קרומי התילקואיד לאור ראו החוקרים כי אכן נפלט מהם חמצן, שמשתחרר בתהליך הפוטוסינתזה, ומכאן הסיקו שהיכולת לבצע את התהליך נשמרה גם מחוץ לתאי הצמח. מולקולות החמצן שנוצרות בתהליך הזה עלולות להגיב כימית לתאורה גבוהה או ממושכת ולהפוך לתרכובות מסוכנות שנקראות Reactive Oxygen Species, או ROS. תגובות השרשרת שהן פותחות פוגעות בתהליך הפוטוסינתזה ובשאר תאי האורגניזם. על כן החוקרים הוסיפו למערכת אנזימים שמפרקים ROS, וכך מנעו פגיעה במערכת הפוטוסינתזה ואפשרו לה לעבוד זמן רב יותר. התוספת הזאת אפשרה להם ליצור מערכת יעילה יותר להפקת אנרגיה, ורגישה פחות לשינויים סביבתיים. 

אילוסטרציה של כלורופלסט, ה"כריות" העגולות והשטוחות שנצבות זו על גבי זו הן התילקואידים | SPL, Tumeggy
החוקרים בודדו מכלורופלסטים של תרד את התילקואידים, שעליהם נמצאים המבנים החלבוניים המנצלים את אנרגית השמש לבניית מולקולות. אילוסטרציה של כלורופלסט, ה"כריות" העגולות והשטוחות שנצבות זו על גבי זו הן התילקואידים | SPL, Tumeggy

בשלב הבא ביקשו החוקרים לבדוק אם אפשר לשחזר מחוץ לתאי הצמח את כל התהליך שבו הפחמן הדו-חמצני מומר לתרכובת סוכר. לשם כך הם שילבו במערכת המלאכותית שפיתחו את 16 האנזימים הדרושים להשלמת התהליך. המערכת פעלה בצורה תקינה, ניצלה היטב את אנרגיית האור ואף הפגינה יעילות גבוהה, של כ-3.5 אחוזים, בהמרת פחמן דו-חמצני לתרכובות שימושיות - יעילות שעולה אף על זאת של פוטוסינתזה טבעית.

הממצאים ממחישים שאפשר לשלב מודלים ביולוגים טבעיים וסינתטיים כדי ליצור מערכת חדשה ומבטיחה לייצור אנרגיה כימית. יתר על כן, היא אף עדיפה בביצועיה על הפוטוסינתזה הטבעית, בזכות פעילותה הממושכת ויעילותה העדיפה בהמרת פחמן דו-חמצני לתרכובות סוכר שימושיות. ה"כלורופלסט המלאכותי" הזה יוכל להיות הבסיס לפיתוח אברון מלאכותי לחלוטין להפקת אנרגיה. התקדמות נוספת בטכנולוגיות לבקרה, שליטה ויצירה של מערכות מורכבות המדמות את סביבת התאים הטבעית תוכל לשפר עוד יותר את תפקוד המערכת, להוביל לפיתוח אברונים ותאים סינתטיים נוספים ואף לאפשר בעתיד את החדרתם לתאים חיים.