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.