Fotosyntéza je fascinující biologický proces, prostřednictvím kterého rostliny využívají sluneční záření k produkci jednoduchých cukrů. Vědci z Institutu Maxe Plancka se rozhodli vybudovat umělých buněk, které fungují jako miniaturní bioreaktory, produkující udržitelnou energii. Syntetické chloroplasty jsou schopny vázat a přeměňovat oxid uhličitý na organické molekuly tak, jak se tomu děje běžně v přírodě. Výstupy své práce publikovali v časopise Science.

Ne každému však může být známo, co jsou chloroplasty zač. Jedná se o malé organely buněk rostlin, které skrze světlo sběrné molekuly absorbují specifické vlnové délky slunečního záření a složitou mašinerií chemických kroků mění anorganický CO2 na molekulu glukózy. Tu následně organismus může rozložit a získat energii ve formě sloučenin ATP. Důležité je, že samotný chloroplast býval kdysi sám buňkou, respektive bakterií, kterou pro své potřeby doslova "sežrala" rostlinná buňka. Proces, který je všeobecně znám jako fotosyntéza, fascinuje vědce po celém světě a jeho využití k produkci udržitelné energie je proto velkou výzvou.

Doslovné "zkrocení" fotosyntézy ve služby člověka však nepředstavuje pouze výrobu čisté energie, ale i řadu jiných uhlíkatých látek. Úpravou fotosyntetického molekulárního aparátu by bylo teoreticky možné syntetizovat například antibiotika a různé průmyslově využitelné polymery. "Projekt Apollo dnešní doby", jak těmto hypotetickým cílům vědci přezdívají, je velmi ambiciózní, naráží však na řadu překážek, se kterými se moderní věda bude muset zákonitě vypořádat.

Jak se však německým vědcům podařilo umělou buňku vytvořit? Klíčem k napodobování živých procesů je podle vedoucího marburgské části sítě MaxSynBio, Tobiase Erba, aby všechny buněčné komponenty spolupracovaly ve správný čas na správných pozicích. Proto se na projektu vývoje umělých fotosyntetizujících buněk podílí více laboratoří, které se specializují na funkci konkrétních buněčných struktur. Je to podobné, jako když se v automobilovém průmyslu jednotlivé továrny zaměřují na výrobu několika součástek, které pak společně s ostatními dají vznik novému vozu.

Zapouzdřené thylakoidy, zdroj: Max Planck Institute

Výzkumníci využili pro konstrukci umělých buněk několik moderních přístupů. Nejprve izolovali z rostliny špenátu skutečný fotosyntetický aparát zachycující světlo (tzv. thylakoidy) a následně metodami syntetické biologie zkonstruovali umělý cyklus, který svou efektivitou překonal svou přírodní předlohu. Takto byl vytvořen například umělý cyklus CETCH, přeměňující oxid uhličitý na cukr účinněji, než klasický Calvinův cyklus, který běžně najdeme u rostlin. Mikrofluidika, tedy manipulace s velmi malými objemy roztoků, následně umožnila vytvořit obalové kapičky velikosti skutečných buněk. izolovali ze špenátu skutečný fotosyntetický aparát, zachycující světlo. Mikrofluidické přístupy umožnily vyprodukovat tisíce identických kapiček schopných stejného metabolismu. Po několika testech se výzkumnému týmu skutečně podařilo fotosyntézu nasimulovat.

Mimo výrobu čisté energie by umělé buňky mohly být v makroměřítku využity k mnoha jiným cílům, například syntéze složitých polymerů, regulaci atmosferického oxidu uhličitého a mnoha dalším.

Originální publikace: https://science.sciencemag.org/content/368/6491/649

Zdroj: Max Planck Institute, New Atlas, zdroj titulní fotografie: Stefan Steinbauer, Unsplash