Umělá fotosyntéza, modulace fotosyntézy

Prezentace na téma: "Umělá fotosyntéza, modulace fotosyntézy"— Transkript prezentace:

1 Umělá fotosyntéza, modulace fotosyntézy

2 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

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

4 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

5 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

6 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+

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

8 Zvyšování účinnosti/produkce fotosyntézy u C3 rostlin – CCM

9 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)

10 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

11 CCM sinic

12 Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

13 Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

14 Postupné zavedení CCM sinic do rostlin

15 Změny ve vnitřní koncentraci CO2

16 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

17 Vzájemná provázanost strukturní a funkční je velmi komplexní

18 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

19 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

20 Předpokládaná postupná evoluce C4 u rodu Flaveria

21

22 Základní schéma oxygenní fotosyntézy a možných strategií umělé fotosyntézy

23 Energetická náročnost procesů
štěpení vody štěpení vody + depozice H2

24 Solární a palivový článek

25 Základní princip polovodičového solárního článku

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

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

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

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

30 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

31 Vhodně substituované vrstvy křemíkových polovodičů zajistí účinnou absorpci FAR

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

33 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

34 Přehled metabolických drah fixace CO2

35 Přehled metabolických drah fixace CO2 (pokračování)

36 Redukční dráha Acetyl KoA

37 Biopaliva – řasy nadějným kandidátem (i bez umělé fotosyntézy)

38 Biopaliva z řas a vyšších rostlin

39 Produkce biopaliv řasami různé typy

40 Produkce biopaliv řasami různé typy

41 Schéma řasové biorafinérie

42 Transesterifikace