Umělá fotosyntéza, modulace fotosyntézy

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) - rubiscos 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. Změnyv 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 concentratingmechanisms- 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 • 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 mesofylovýchb. 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 - pyruvateorthophosphatedikinas, PCK – phospho-enolpyruvatecarboxykinase, 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

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 polovodičovéhosolárního 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 aplikacivnějšího 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 vrstvykřemíkových 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 řasamirůzné typy

40. Produkce biopaliv řasamirůzné typy

41. Schéma řasové biorafinérie

42. Transesterifikace