Umělá fotosyntéza, modulace fotosyntézy

Zvyšování účinnosti/produkce fotosyntézy u C3 rostlin – CCM Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu Změny ve fotorespiraci Změny v elektrontransportním řetězci CO2 koncentrující mechanismy – na úrovni jednotlivých mesofylových buněk C4 fotosyntéza – strukturně funkční komplex změn

Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu – manipulace rubisco termofilní ruduchy (až 57°C) - rubisco s vysokým specificitním faktorem komplikované skládání a sestavování (8+8)

Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu – manipulace rubisco aktivnější rubisco! pozice 309 ve velké podjednotce přepíná C3: 309Met – pomalejší, specifičtější! C4: 309Ile – rychlejší karboxylace, - nižší affinita k CO2 !!! má smysl jen v kombinaci s CCM

Zvýšení účinnosti Calvinova cyklu – zvýšení účinnosti regenerace RuBP zvýšení exprese FBP/SBPase (sedoheptulose-1,7-bisphosphatase) biomasa, fixace CO2 zvýšena o 20-50% zvýšení výchozí aktivity rubisco

Manipulace fotorespirační dráhy zavedení dráhy pro plnou (alternativní) oxidaci glykolátu na CO2 v chloroplastu zvýšení koncentrace CO2 v blízkosti rubisco obejití transaminačních reakcí a energetické spotřeby při reassimilaci NH4+

Změny v elektrontransportním řetězci exprese cytochromu c6 z řasy v Arabidopsis thaliana až 30% nárůst biomasy a fixace CO2 cytochrom C6 – v roli plastocyaninu

Zvyšování účinnosti/produkce fotosyntézy u C3 rostlin – CCM

CO2 concentrating mechanisms - v jednotlivých buňkách zabudování transportérů HCO3- do membrány plastidů samostatně – snížení kompenzační koncentrace CO2, zvýšení aktivity rubisco a zlepšený růst v prostředí se suchým vzduchem (u Arabidopsis) v kombinaci s dalšími modifikacemi (analogicky pyrenoidu řas či karboxyzómu sinic)

Pyrenoid Karboxyzóm kompartment ve stromatu plastidů řas obsahuje hlavně rubisco a jeho aktivázu protkán sítí tylakoidních trubiček obklopen škrobovým obalem (proti úniku CO2?) Karboxyzóm mikrokompartment sinic rubisco, obalové proteiny, CA

CCM sinic

Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

Změny ve vnitřní koncentraci CO2

CCM doprovázené strukturními změnami dva buněčné typy s odlišnými vnitřními strukturami snížená prostupnost stěny BS plasmodesmy vzdálenost mezi žilkami (poměr mezofylových a BS buněk) – C3: 9–10 mesofylových b. mezi žilkami C4: 2–3 buňky

Vzájemná provázanost strukturní a funkční je velmi komplexní

Navození strukturní CCM změny struktury (morfogeneze listů) změny exprese proteinů (enzymů, transportérů, …) změny enzymatických vlastností (rubisco, PEPc, …) Analýzy podmíněnosti změn: řada genetických změn (křížení – min. 4 lokusy) oves s kukuřičnými chromosómy (částečné znaky C4 dle vloženého chromozómu) ale u Bahničky jednoduché přepínání: C3: pod vodou C4: vzduch, popř. voda + ABA predispozice samotných genů (NADPH-ME) ke specifické expresi

Navození strukturní CCM Vnesení genů pro jednotlivé složky C4 (PEPc, PPDK - pyruvate orthophosphate dikinas, PCK – phospho-enolpyruvate carboxykinase, NADP-ME) bez efektu či s negativním účinkem (zpravidla prostá OE bez lokalizace) I v případě pozitivního efektu (obecně u CCM) může být tento jen fakultativní (za daných podmínek) – nižší stabilita produkce

Předpokládaná postupná evoluce C4 u rodu Flaveria

Základní schéma oxygenní fotosyntézy a možných strategií umělé fotosyntézy

Energetická náročnost procesů štěpení vody štěpení vody + depozice H2

Solární a palivový článek

Základní princip polovodičového solárního článku

Štěpení vody na OEC – klíčová reakce oxygenní fotosyntézy TiO2 – štěpení vody zpravidla Pt – redukce protonů

Štěpení vody na OEC – klíčová reakce oxygenní fotosyntézy Co-OEC – analogické přirozenému OEC (PSII)

„Cockův cyklus“ na Co-OEC účast fosfátové skupiny a oxidace v roztoku

Co-OEC je samoreparační! Zpětná inkorporace samovolně uvolněných Co iontů ( ): - při aplikaci vnějšího napětí ( ) - při prosté aktivaci světlem???

Co-OEC funguje za běžných podmínek aktivní v jakékoli vodě bez významné změny aktivity (říční, mořské) katoda nemusí být tak inertní (Pt), lze použít NiMoZn

Vhodně substituované vrstvy křemíkových polovodičů zajistí účinnou absorpci FAR

Jak uskladnit vodík? zabudováním do organických l. mikrobiální aktivitou teoreticky může být účinnější než biopaliva z rostlin

Mikrobiální inkorporace vodíku energeticky nejúčinnější: redukční dráha Acetyl KoA (W–L pathway) redukční TCA dráha CBB = Calvin (Benson, Bassham)-cyklus 3HP/4HP = 3-hydroxypropionát/4-hydroxybutyrátový cyklus

Přehled metabolických drah fixace CO2

Přehled metabolických drah fixace CO2 (pokračování)

Redukční dráha Acetyl KoA

Biopaliva – řasy nadějným kandidátem (i bez umělé fotosyntézy)

Biopaliva z řas a vyšších rostlin

Produkce biopaliv řasami různé typy

Produkce biopaliv řasami různé typy

Schéma řasové biorafinérie

Transesterifikace