Искусственный фотосинтез
Среди возобновляемых источников
энергии солнечная энергия все еще используется в недостаточной мере. Водород -
один из наиболее перспективных видов топлива будущего. Как один из основных
компонентов в структуре молекулы воды водород - это широко распространенный,
имеющийся на нашей планете в избытке, возобновляемый источник энергии, не
дающий при сгорании никаких загрязнений окружающей среды, выделяющий при
сжигании большое количество энергии на единицу веса и который может быть легко
преобразован в электричество с помощью топливных ячеек. Уникальность
фотосистемы 2 (ФС-2) заключается в том, что это единственный существующий в
природе ферментный комплекс способный использовать энергию солнечного света для
окисления воды до кислорода (О2), ионов водорода (протонов, H+) и электронов. Для производства водорода с помощью искусственного
фотосинтеза необходимы восстанавливающие эквиваленты и протоны. Вода
единственный существующий в природе в неограниченных объемах возобновляемый
источник электронов, уникальность которого заключается в том, что вода служит
также неисчерпаемым, возобновляемым источником протонов. Если бы удалось
достигнуть сопряжения реакции фотосинтетического окисления воды с реакцией
восстановления протонов до водорода (H2), то, таким
образом, удалось бы создать цикл производства уникального, совершенного,
неограниченного в объемах производства, и незагрязняющего окружающую среду
топлива.
В процессе
решения задач, сформулированных в планах лаборатории, будут получены новые
знания о механизме фотосинтетического окисления воды, о путях и интермедиатах,
участвующих в доставке молекул воды к реакционному центру водоокисляющего
комплекса (ВОК) ФС-2 и отводе освобождающихся ионов водорода (протонов), о
возможностях замещения природного ВОК искусственными металлсодержащими
органическими комплексами и критериях, предъявляемых к ним, о способах
оптимизации функционирования ВОК, повышения скорости его функционирования,
эффективности и стабильности. Кроме того, будут также получены новые данные о
нерешенных вопросах функционирования акцепторной стороны ФС-2, о возможностях
замещения нативных акцепторов электрона, пластохинона QA и феофитина искусственными акцепторами электрона с заданными свойствами, а
также соединениями, ферментами и/или их комплексами, способными осуществлять
реакцию восстановления протонов до водорода за счет электронов и протонов,
получаемых в реакции окисления воды.
Конкретной
задачей лаборатории является поиск путей и получение экспериментальной научной
информации о возможностях создания новых высокоэффективных нанобиомолекулярных
устройств для превращения солнечной энергии в энергию химических соединений
(фотопроизводство водорода), мимикрирующих природный фотосинтез, получение
знаний необходимых для разработки, проектирования и построения полу-искусственных
и/или искусственных устройств, которые будут способны производить водород.
Энергия для этого процесса будет поставляться солнцем, а электроны и протоны – в
результате фотосинтетического расщепления воды в оксигенном фотосинтезе. Оба
эти процесса бесплатны, а процесс расщепления воды оптимизирован природой уже в
течение миллионов лет. Стратегия заключается в том, чтобы использовать те
природные компоненты, которые наиболее пригодны для данного устройства, которое
будет смесью искусственных и природных компонентов, т.е. самые стабильные
фотосистемы – в качестве сенсоров и конверторов света, а гидрогеназы – в
качестве производителя водорода. Предполагается получить информацию том, как
создать такие полусинтетические устройства, основанные (на первом этапе) на
коровых комплексах или комплексах реакционных центров ФС-2 и природных (на
первом этапе) или полностью искусственных синтетических гидрогеназах.
Будут
получены экспериментальные данные о новых методах утилизации солнечной энергии,
которые в наименьшей возможной степени будут зависеть от необходимости
использовать редкие элементы и/или тяжелые металлы. В будущем даже возможно
будет перейти к разработке искусственно оптимизированных структур фиксации
двуокиси углерода на основе биоорганических ресурсов. Кроме того, с помощью
такого подхода, возможно, удастся подойти к решению экологических проблем все
возрастающего перенасыщения атмосферы Земли “парниковым” газом и глобального
потепления.
Лаборатория
имеет многолетний богатый успешный опыт исследований в данной области знаний. Нами
были показано что феофитин «а» (Pheo) функционирует в реакционных центрах фотосистемы 2
(ФС-2) в качестве промежуточного акцептора электрона между первичным донором,
хлорофиллом P680 и первичным акцептором электрона, пластохиноном QA. Величины окислительно-восстановительного потенциала Pheo составляет -536
мВ, P680 - +1,18 В. Впервые получены экспериментальные доказательства
рекомбинационного происхождения «переменной» флуоресценции хлорофилла ФС-2,
определены ее время жизни (2-4 нсек) и энергия активации 0,6-0,8 эВ). Продемонстрирована
способность ФС-2 к фотовосстановлению акцепторов электронов, типичных для ФС-1
- метилвиологена и НАДФ+. Показана возможность использования реакции
фотовосстановления Pheo для количественной оценки содержания ФС-2 в целых клетках, хлоропластах и
субхлоропластных препаратах [см. Аллахвердиев, Климов, Клеваник, Шувалов, Красновский, 1977-1986].
Показано,
что после полного (более, чем 95%) удаления эндогенного Mn из
водоокисляющего комплекса (ВОК) ФС-2 транспорт электронов через ФС-2 [Klimov et al., 1982, Аллахвердиев с соавт., 1983; 1986; Allakhverdiev et al., 1986; Шафиев с
соавт., 1988;Allakhverdiev & Klimov
1992], а также функция фотосинтетического выделения
кислорода [Шафиев с соавт., 1988; Ананьев с соавт., 1988] могут быть восстановлены
путем добавления четырех ионов Mn2+ на один РЦ и последующей
фотоактивации системы. Эти функции ФС-2 могут быть восстановлены только в
присутствии бикарбоната [Allakhverdiev et al., 1997]. Два из ионов Mn2+
могут быть заменены ионами Mg2+ или ионами других двухвалентных
металлов.
Перенос электрона через ФС-2,
истощенную по эндогенному Mn, а также в
изолированных комплексах D1/D2/цитохром b559
реакционных центров ФС-2 может быть реконструирован с помощью синтетических двух
и трех ядерных Mn-органических комплексов на основе
триподных лигандов [Allakhverdiev et al.,
1994; Nagata et al., 2008; Kurashov etal., 2009]. Реконструированная ФС-2, с
высокой эффективностью окисляет воду с образованием пероксида водорода. Это первое
сообщение о разработке неприродного фотохимического окисления воды
осуществляемого реконструированной ФС-2 [Nagata etal., 2008].
Выявлены
уникальные, высокоэффективные и высокоспецифичные ингибиторы переноса электрона
в ФС-2 типа К-15, производные перфторизопропилдинитробензола (около 30
соединений), исследован механизм их действия, проведен анализ зависимости
механизма и эффективности ингибирующего действия от молекулярной структуры (SQAR-анализ) [Karacanet al., 2012] и показано, что механизм их действия принципиально отличается от такого
для известных ингибиторов и заключается в образование короткого цикла переноса
электрона от восстановленного первичного акцептора электрона феофитина на
окисленный первичный донор, хлорофилл P680 [Klimov etal., 1995]. Показано, что участком связывания
новых ингибиторов типа К15 (производных перфторизопропилдинитробензола) служит
полипептид Д2, интегральный компонент реакционного центра ФС-2, а не известный
хинон-гербицид-связывающий участок, расположенный на Д1 белке [Жармухамедов с
соавт., 2003]. Уникальность этих соединений заключается в способности
перехватывать электрон с восстановленного феофитина эффективно конкурируя с
нативным переносом электрона. Эти агенты могут быть использованы для создания
искусственных фотопреобразующих систем.
Показано, что полипептиды КВК ФС-2
обладают карбоангидразной активностью, подавление которой сопровождается
ингибированием функциональной активности ФС-2 и как следствие этого процесса
фотосинтеза в целом [Shitov et al., 2011]. Для регуляции карбоангидразной и,
как следствие, функциональной активности ФС-2 разработаны, синтезированы и
исследованы по их подавляющему действию на карбоангидразную активность a-карбоангидразы изофермента II из эритроцитов быка, b-карбоангидразы,
а также на карбоангидразную и фотосинтетическую активность субхлоропластных
мембранных фрагментов, обогащенных ФС-2, BBY-частиц новые химические соединения
производные сульфамида и их комплексы с атомами меди (CuII), никеля (Ni), хрома
(Cr), кобальта (Co) и цинка (Zn) (30 соединений). Среди этих соединений
выявлены высокоэффективные ингибиторы карбоангидразной активности традиционных
карбоангидраз и, что особенно важно, карбоангидразной и, как следствие этого,
функциональной активности ФС-2 [Karacan etal., 2014]. Эти соединения могут быть
использованы для изучения возможностей оптимизации функциональной активности
полусинтетических фотопреобразующих систем.
C помощью
техники газовой хроматографии измерены скорости выделения водорода при
освещении разных субхлоропластных препаратов из высших растений в отсутствии
экзогенной гидрогеназы в анаэробных условиях. Показано, что субхлоропластные
препараты, обогащенные ФС-2 в присутствии донора электрона TMPD
(N,N,N,N-тетра
метил-п-фенилендиамина) показывают более высокие скорости выделения водорода
(вплоть до 30 наномоль на мг хлорофилла в час), чем препараты, обогащенные ФС-1
в тех же самых условиях. Данные по подавлению выделения водорода известными
ингибиторами ФС-2 (диносебом и атразином) доказывают, что фотопроизводство
водорода сенсибилизируется реакционными центрами ФС-2 [Mal’tsevet al., 1988].
У коллектива имеется большой успешный опыт по изысканию
возможных путей разработки, конструирования и создания полуискусственных и
искусственных фотопреобразующих систем, мимикрирующих фотосинтез. Исследовано
свето-индуцируемое выделение водорода в процессе разложения воды с помощью
двуокиси титана (TiO2) с наноструктурной морфологией. Выявлена способность
монослоев оксидамарганцасамопроизвольно
образовывать комплексы с органическими соединениями. Разработан, синтезирован и исследован целый
ряд наноразмерных многослойных комплексов на основе оксида марганца. Показано,
что данные комплексы могут служить как донорами электрона для ФС-2, так и
искусственными катализаторами способными осуществлять реакцию фоторазложения
воды с выделением молекулярного кислорода. Эти соединения могут рассматриваться
в качестве новой функциональной и структурной модели водо-окисляющего комплекса
ФС-2 и могут стать первым шагом к разработке гибридных систем преобразования
света [Najafpour et al., 2013; 2014]. Исследовано действие ряда стрессовых факторов (света
высокой интенсивности, экстремальных температур) на стабильность природных и
искусственных преобразователей солнечной энергии на основе фотосинтетических
реакционных центров.
Artificial photosynthesis and Energy production
Among the renewable
sources of energy, sun's energy remains underutilized. Hydrogen is one of the most promising future energy
sources. As one of the key components of water it is abundant,
renewable, produces no environmental pollution in combustion, liberates large
amounts of energy per unit weight in combustion, and is easily converted to
electricity by fuel cells. Photosystem 2 (PS-2) is unique in that, it is the
only enzyme in Nature that can use the energy from the Sun to oxidize water
into molecular O2, hydrogen ions (H+) and electrons. The
production of hydrogen using artificial photosynthesis requires a source of
reducing equivalents as well as protons. Water is the only abundant and
renewable source of the electrons and protons. If reaction of photosynthetic
water oxidation could be coupled to a hydrogen ion reducing reaction to
generate H2 then a perfect, unlimited and non-polluting fuel cycle
could be created.
As a result of realization of aims of the laboratory plans a novel
knowledge about mechanism of photosynthetic water oxidation, about ways and
intermediates participating in delivery of water molecules into reaction center
of PS-2 water-oxidizing complex (WOC) and withdrawal releasing hydrogen ions
(protons), about possibilities of substitution of natural WOC by artificial
metal-organic complexes and criteria put forth to them, about modes of
optimization of WOC functioning, increase of rate of its functioning,
efficiency and stability will be obtained. Furthermore, a new data about
unsolved questions of the PS-2 acceptor side functioning, about possibilities of
substitution of natural electron acceptors, plastoquinone QA and
pheophytin with artificial electron acceptors possessing programmed properties and compounds, enzymes
and/or their complexes, capable to carry out reaction of reduction of protons
to hydrogen at the expense of electron and protons releasing in water oxidation
reaction will also be obtained.
Concrete task of laboratory is search of ways and receipt experimental
information about possibilities for creation of novel high effective
nanobiomolecular devices for conversion of sun energy into energy of chemical
compounds (photoformation of hydrogen), mimicking natural photosynthesis;
getting knowledge required for design, engineering and construction of a
semiartificial device which should be able to produce hydrogen. Energy for this
process should be provided by the sun and electrons and protons from the water
splitting process of oxygenic photosynthesis. Both of these processes are free
of costs and the process of water splitting has been optimized by nature since
billions of years. The strategy was to use the components best suited for this
device which turned out to be a mix of artificial and natural components, i.e.
extremely stable photosystems as light sensors and converters and hydrogenases as
hydrogen producer. It is proposeв to get information
helping to create such semiartificial devices based on (as a first step) core
or reaction centre complex of photosystem-2 and natural (as a first step) or
totally artificial synthetic hydrogenases.
When this research is complete successfully, it will provide
experimental data about new methods of utilization of solar energy with smaller
dependence upon rare elements and/or heavy metals. In the future, we can
probably even proceed toward development of artificial optimized structures for
photochemical CO2 fixation based on bioorganic resources. In this
way, this research will also contribute to solve the global warming problems.
Furthermore, with such approach it is possible to decide ecological problems related
to increasing oversaturation of Earth atmosphere by “greenhouse” gas and global
warming
The laboratory has a long rich successful experience of research in this
field of science. We have shown that pheophytin a (Pheo) operates in reaction centers of photosystem 2 (PS-2) as an
intermediate electron acceptor between the primary donor, chlorophyll P680,
and primary electron acceptor, plastoquinone QA. The Pheo redox
potential of is -536 mV, P680 is +1.18 V. For the first time,
experimental evidence of recombination origin of "variable"
chlorophyll fluorescence of PS-2 was obtained, her lifetime as 4.2 ns and the
activation energy of 0.6 -0.8 eV were identified. The ability of PS-2 to the
photoreduction of electron acceptors, which are typical for the PS-1 - methyl
viologen and NADP+ was demonstrated. The possibility of using
photoreduction Pheo to quantify the content of PS-2 in whole cells,
chloroplasts and subchloroplast preparations was shown [see Allakhverdiev,
Klimov, Klevanik, Shuvalov, Krasnovskii, 1977-1986].
It was shown that after complete (more than 95%) removal of endogenous
Mn from PS-2 WOC electron transfer through PS-2 [Klimov et al., 1982,
Allakhverdiev et al., 1983; 1986a; 1986b; Shafiev et al., 1988; Allakhverdiev
& Klimov 1992], as well as function of photosynthetic oxygen evolution
[Shafiev et al., 1988; Anan’ev et al., 1988] may be restored by addition of
four Mn ions per RC and subsequent photoactivation of the system. It was shown
that reactivation of these functions is possible only at the presence of
bicarbonate [Allakhverdiev et al., 1997]. Two of the four Mn ions may be
substituted by Mg ions or by another two valence metal ions).
It was shown that electron transfer through PS-2 complexes deprived of
endogenous Mn as well as in isolated D1/D2/cytochrome b559 PS-2 reaction
centers may be restored with synthetic two and three-nuclear Mn-organic
complexes based on tripod ligands [Allakhverdiev et al., 1994; Nagata et al.,
2008; Kurashov et al., 2009]. The reconstructed PS-2 effective oxidizes water
to hydrogen peroxide. This is first report about design artificial
photochemical water oxidation by reconstructed PS-2 [Nagata et al., 2008].
It was revealed unique high effective and high
specific inhibitors of electron transfer in PS-2, K15-type, derivatives of perfluoroisopropyldinitrobenzol (about 30 compounds), investigated
mechanism of their action [Klimov
et al., 1992; Klimov et al., 1993; Kiselev et al., 1992; Zharmukhamedov et al.,
1992], carried out quantitative
structure-activity relationship (QSAR) analysis [Karacan et al., 2012] and shown that mechanism of their action
principally differs from that for known inhibitors and is formation of a short
circuit of electron transfer from reduced primary electron acceptor,
pheophytin, onto oxidized primary electron donor, chlorophyll P680 [Klimov et al., 1995]. It was
shown that polypeptide D2, integral component of PS-2 reaction center, is site
for binding of new K15-type inhibitors
(derivatives of perfluoroisopropyldinitrobenzol), but not known
quinone-herbicide-binding site, located in D1-protein [Zharmukhamedov et al.,
2003]. Uniqueness of these compounds is
ability to catch electron from reduced pheophytin effectively competing
with native electron transfer. Thus, these agents may be used for creation of
artificial photo-converting systems.
It was shown that polypeptides of PS-2 WOC possess carbonic anhydrase
(CA) activity (CAA); that suppression of CAA is accompanied by inhibition of
functional activity of PS-2 and as consequence of that by inhibition of
photosynthesis in whole [Shitov et al., 2011]. For regulation of carbonic
anhydrase activity and consequently functional activity of PS-2 we have
designed and synthesized novel chemical compounds derivatives of sulfamide and
their complexes with atoms of transitional metals such as copper (Cu), nickel
(Ni), chrome (Cr), cobalt (Co) and zinc (Zn) (30 compounds). These agents were
investigated by their action on carbonic anhydrase activity of alfa-carbonic
anhydrase isozyme II from bovine erythrocytes, betta-class carbonic anhydrase
as well as carbonic anhydrase and photosynthetic electron transfer activity of
PS-2. From these compounds high effective indictors of CAA of traditional
carbonic anhydrases, and what is especially important, CAA and as consequence
of that, photosynthetic activity of PS-2 were revealed [Karacan et al., 2014].
These agents may be used for investigation of possibilities for optimization of
functional activity of semi artificial photoconverting systems.
Hydrogen (H2) evolution rates were measured by the gas
chromatographic technique upon illumination of different subchloroplast
preparations of higher plants without exogenous hydrogenase under anaerobic
conditions. Subchloroplast preparations enriched in photosystem II (PS-2) in
the presence of an electron donor TMPD (N,N,N,W-tetramethyl-p-phenylenediamine)
are shown to have higher H2-evolution rates (up to 30 nmol/mg Chl
per h) than preparations enriched in PS-1 under the same conditions. The data
on the suppression of H2 evolution by well-known inhibitors of PS-2
(dinoseb, atrazine) prove that the H2 photoproduction is sensitized
by PS-2 reaction centers [Mal’tsev et al., 1988].
Furthermore the laboratory have big
successful experience on investigation of possible ways for design; engineering
and construction of semi artificial and artificial photoconverting systems
mimicking photosynthesis. It was investigated light-induced hydrogen production
from splitting of water molecules by (TiO2) with a nanostructure
morphology. The ability of manganese oxide monosheets to self-assemble with
organic compounds was reveiled. A variety of nanoscale multilayer complexes
based on manganese oxide were designed, synthesized and studied. It is shown that these
complexes can serve as electron donor for the PS-2 and as artificial catalysts
capable to carry out reaction of water photodecomposition with the evolution of
molecular oxygen. These compounds can be considered as a new functional and
structural model of water-oxidizing complex PS-2 and may be the first step in
the development of hybrid systems of the light converting [Najafpour et al.,
2013; 2014]. The effect of several stress factors (high intensity light,
extreme temperatures) on the stability of natural and artificial solar energy converters
based on the photosynthetic reaction centers was studied.
Stress physiology
of photosynthesis and
molecular
mechanisms of stress resistance of the photosynthetic apparatus