Цивилизация
###1###Энергия фотосинтеза — людям
Одним из возможных путей решения энергетической проблемы человечества может быть «совершенствование» водорасщепляющей системы, питаемой энергией солнечного света, основанное на знании молекулярных механизмов функционирования фотосинтеза растений. Было бы полезно имитировать структурные характеристики многоядерного марганецсодержащего центра, входящего в состав кислород-выделяющего комплекса природного фотосинтеза.
Такие попытки дали бы более глубокое понимание молекулярного механизма процесса выделения кислорода при фотосинтезе и хорошее руководство для лучшей разработки искусственных катализаторов для процесса выделения кислорода.
Поскольку выделения молекулярного кислорода — это ключевая особенность процесса фотохимического расщепления воды, то биоподобный подход при решении вопроса создания искусственных катализаторов процесса выделения кислорода представляется чрезвычайно перспективным.
На пути решения энергетической проблемы человечеству следует научиться изменять свойства белка, который участвует в выделении кислорода и восстановлении хинона (на рисунке — молекула под цифрой 2). Модификация этого белка с помощью искусственных молекул позволит улучшить его функции и даже создать. На этом пути необходимо решить как минимум несколько основных задач, схематично представленных на рисунке.
— Улучшить работу кислород-выделяющего комплекса (КВК).
КВК фотосистемы 2 — единственный в своем роде природный ферментный комплекс, способный осуществлять расщепление воды и выделение молекулярного кислорода.
Однако в изолированном виде КВК не может быть использован в качестве технического устройства вследствие его чрезвычайно ограниченной стабильности. Для того чтобы повысить стабильность и функциональную активность КВК ФС-2, необходимо провести целый ряд исследований по реконструкции так называемого апо-КВК (то есть КВК, лишенного внешних водорастворимых белков и атомов Mn) с помощью искусственных металлсодержащих органических комплексов. Чтобы повысить стабильность и эффективность КВК ФС-2, необходимо синтезировать искусственные многоядерные марганцевые комплексы, выполняющие те же функции, что и кислород-выделяющий центр ФС-2, но обладающие большей стабильностью. Таким образом, задача разбивается на две: синтез комплексов, имитирующих природные, но имеющих большую стабильность, и их проверка в «боевых» условиях — замена ими природных комплексов в составе природного же КВК ФС-2.
Идея использовать уникальную стратегию для того, чтобы решить данную проблему, а именно провести реконструкцию кислород-выделяющих комплексов безмарганцевых препаратов ФС-2, используя синтетические марганецсодержащие комплексы, представляется весьма плодотворной. В отличие от реконструкции гем-содержащих ферментов, таких как миоглобин, синтетические марганецсодержащие комплексы действуют как «переносчики» ионов марганца к реакционному центру ферментов, из которых ионы марганца были удалены.
Нами было установлено, что свойства синтетических марганецсодержащих комплексов (структура, валентность) непосредственно влияют на каталитическую активность реконструированной ФС-2.
Было высказано предположение, что метод реконструкции безмарганцевых препаратов ФС-2 с помощью искусственных марганецсодержащих комплексов позволит исследовать структурные требования к искусственным марганецсодержащим комплексам, существующим в нативном кислород-выделяющем центре. Используя методики синтетической неорганической химии, следует получить целый ряд марганецсодержащих комплексов, имеющих ожидаемые структурные свойства, а измеряя каталитическую активность реконструированной ФС-2, оценивать значимость каждого структурного элемента для функции выделения кислорода.
Полученная таким способом информация будет использована для разработки искусственных катализаторов процесса выделения кислорода.
Одним из основных препятствий в исследовании марганецсодержащих комплексов в качестве возможных катализаторов процесса выделения кислорода является существенная трудность синтеза комплексов с заранее заданной структурой. Ионы марганца имеют удивительную способность образовывать полимерные структуры в растворах. Вследствие этого чрезвычайно трудно контролировать образование полимерных структур в процессе синтеза марганецсодержащих комплексов. Известно, что некоторые подобные структуры метастабильны и могут быть легко выделены в виде чистых соединений, но они часто оказываются неактивными в качестве катализаторов процесса выделения кислорода. Можно предположить, что выделение кислорода может катализироваться только марганецсодержащим комплексом, имеющим очень специфическую структуру, которая сама по себе термодинамически нестабильна, но лишь до тех пор, пока не будет стабилизирована особым окружением координирующих групп. В исходной ФС-2 кислород-выделяющий центр погружен в полипептидную матрицу и координирован аминокислотами боковых цепей, которые фиксируются в виде предопределенной геометрической структуры. К сожалению, точная пространственная организация боковых цепей еще не выяснена вследствие недостаточного разрешения, с которым в настоящее время получены данные рентгеноструктурного анализа. С точки зрения химии синтеза одним из наиболее продуктивных подходов служит сочетание органического и неорганического синтеза. В частности,
лиганды — особые органические молекулы, соединяющиеся с атомом металла с образованием комплекса — с многочисленными координирующими группами, расположенными в заранее определенных позициях, могут быть получены путем органического синтеза.
Используя такие лиганды, можно создавать марганецсодержащие комплексы с запланированной структурой. Однако следует также отметить и то, что на сегодняшний момент существует лишь незначительное количество научных сообщений об успешном синтезе многоядерных марганецсодержащих комплексов, которые были получены с помощью такого подхода. Из этого следует, что простая интуитивная разработка таких органических составляющих марганецсодержащих комплексов, возможно, окажется недостаточной для поиска лигандов, соответствующих предполагаемым структурам. Возможное решение проблемы заключается в использовании вычислительной химии для скрининга и разработки лигандов. Используя современные компьютерные программы, можно выявить наиболее перспективные кандидаты в лиганды, чего не так легко достичь с помощью интуитивного подхода. Грамотно комбинируя возможности вычислительной химии и химии синтеза, можно получать разнообразные многоядерные марганецсодержащие комплексы.
— Осуществить комплексообразование с искусственным пулом хинонов. В физиологических условиях комплекс ФС-2 объединен с особыми хинонами (см. рисунок выше), локализованными в тилакоидной мембране (так называемый мембранный пул хинонов), с помощью которого ФС-2 взаимодействует с другими полипептидными комплексами фотосинтетического аппарата. Для того чтобы ФС-2 работала изолированно, необходимо создать некие искусственные альтернативы пулу хинонов. Для этой цели необходимо сконструировать пул хинонов с заданными свойствами и объединить его с ФС-2. Начинать нужно с предварительных экспериментов по реконструкции восстанавливающей стороны ФС-2 (QB-связывающий участок). Для того чтобы проводить реконструкцию на акцепторном (восстанавливающем) участке, стоит исследовать связывающую способность целого ряда хинонов и родственных им соединений с QB-связывающим участком белкового комплекса ФС-2. Это будут также и синтезированные искусственные химические соединения, отсутствующие в каталогах фирм, торгующих химическими реактивами, соединения пула хинонов со специальным хиноном, действующем в качестве «якоря». Эти молекулы необходимо разрабатывать таким образом, чтобы «якорный» хинон был связан с QB-связывающим участком, а оставшаяся часть хининового пула находилась бы вокруг и принимала электроны от хинона-«якоря» (см. рисунок выше).
— Создать прямое управление окислительно-восстановительными реакциями фотосистемы 2. В фотосинтезе реакции окисления (выделение кислорода) и реакции восстановления (фиксация двуокиси углерода) должны происходить парами. Однако существует много других реакций между этими двумя конечными.
Они, безусловно, биологически значимы, но в то же время могут вызвать снижение суммарной эффективности фотосинтетического аппарата, если рассматривать его в качестве технического устройства по превращению энергии.
Для того чтобы решить эту проблему, необходимо объединить искусственные катализаторы, которые будут стимулировать реакции восстановления, непосредственно с ФС-2 и попытаться добиться прямого восстановления экзогенных акцепторов с помощью изолированной ФС-2. Основной задачей на этот период станет дальнейшая модификация восстанавливающей стороны ФС-2, создание металлсодержащих комплексов с хиноном-«якорем», попытка проведения прямой восстанавливающей реакции посредством каталитической активности этих металлсодержащих комплексов, получение молекулярного водорода из воды в качестве конечного продукта этой восстанавливающей реакции.
На последней стадии в результате этих исследований мы планируем создать новые биомолекулярные технические устройства посредством одновременной модификации окисляющей и восстанавливающей сторон ФС-2 для превращения солнечной энергии в энергию химических связей. С помощью этих устройств будет получено действительно полное расщепление воды (на молекулярный кислород и водород) за счет энергии солнечного излучения.
Таким образом,
будет воплощена идея в сжатые сроки разработать нанобиомолекулярное техническое устройство превращения энергии света в химическую энергию путем двусторонней модификации белкового комплекса ФС-2.
Одна модификация будет сделана на донорной стороне ФС-2 (на уровне КВК), а другая на акцепторной стороне (на уровне пластохинон-связывающего участка). При этом высокая эффективность процесса переноса электрона в реакционном центре ФС-2 будет сохранена.
До настоящего времени уже неоднократно проводились исследования реконструкции белковых комплексов ФС-2 и ФС-1, но большая их часть была нацелена на выяснение механизмов реакций фотосинтеза, а не на разработку новых химических технических устройств. Например, профессор Ито из Японии с соавторами из Университета Нагойи исследовали скорости переноса электрона в ФС-1 после замещения эндогенных хининовых акцепторов разными экзогенными хинонами. Однако никаких попыток использовать эти методики для того, чтобы улучшить фотохимическую активность ФС-2 и/или разработать новую фотохимическую схему на основе ФС-2, не было сделано. Недавно совместной российско-японской группой под моим руководством была опубликована статья, в которой сообщается о том, что удалось получить перекись водорода на ФС-2, реконструированной с помощью искусственных Mn-содержащих органических комплексов. Это первое опубликованное сообщение о разработке неприродной фотохимической схемы на основе реконструированной ФС-2. С другой стороны, сообщения о реконструкции ФС-2 с помощью искусственного пула хинонов до недавнего времени полностью отсутствовали. Искусственные хиноны, разработанные Нагатой с соавторами, представляют совершенно новую концепцию в области фотосинтетических исследований. В настоящее время существует всего несколько групп исследователей, способных проводить эксперименты по реконструкции белкового комплекса ФС-2.
В случае успешного решения поставленных задач общество получит совершенно новые методы использования солнечной энергии, не зависящие от необходимости использования редкоземельных элементов и/или тяжелых металлов.
В будущем можно будет даже перейти к разработке устройств для фотохимической фиксации двуокиси углерода на основе биоорганических ресурсов и внести вклад и с точки зрения решения проблем глобального потепления.
###2###Магнитотепловое энергетическое устройство
Кроме разработки и создания источников альтернативной энергетики на основе устройств, мимикрирующих природный фотосинтез, во многих научно-исследовательских лабораториях по всему миру ведутся поиски других возможностей решения энергетических проблем человечества. В наших работах мы не ограничиваем поиск возможных решений только энергетическими устройствами на основе искусственного фотосинтеза, но используют любые плодотворные идеи решения проблемы. Одним из таких возможных решений поиска источников альтернативной энергетики может стать разрабатываемое моим коллегой, научным сотрудником, кандидатом физико-математических наук Владимиром Бедбеновым уникальное магнитотепловое энергетическое устройство (МТЭУ), использующее в качестве топлива тепловую энергию окружающей среды.
Принцип работы предлагаемых к промышленному внедрению бестопливных магнитотепловых устройств основан на использовании магнитных эффектов и явлений, проявляющихся в ряде ферромагнитных элементов и сплавов, которые обладают способностью спонтанной намагниченности,
и характеризующихся сильной зависимостью намагниченности от температуры. Особенно резко величина намагниченности в таких магнитных материалах, помещенных во внешнее магнитное поле, в зависимости от температуры, проявляется в точке Кюри — Тс, в точке магнитного фазового перехода магнетика из ферромагнитного в парамагнитное состояние.
Производство механической энергии вращения в бестопливном магнитотепловом устройстве происходит путем периодического нагрева — охлаждения лопаток ротора, изготовленных из ферромагнитного материала, а двигательной силой является только сила магнитной тяги.
На сегодняшний день мы располагаем несколькими экспериментальными образцами МТД лабораторного типа, изготовленными в разное время с использованием доступных в лабораторных условиях возможностей.
В представленных на рисунках устройствах в качестве топлива используется обычная вода, подаваемая на лопатки магнитной турбины для их попеременного нагрева-охлаждения.
Температура воды, используемой для работы этих устройств, лежит вблизи температуры окружающей среды, что позволяет в ближайшем будущем надеяться на получение практически неисчерпаемого, экологически чистого источника энергии.
В МТЭУ тепло не расходуется, оно только инициирует магнитный фазовый переход, а затем отбирается, причем даже чуть в большем количестве, в связи с магнитокаллорическим эффектом, проявляющимся при вхождении ферромагнитной лопатки в магнитное поле. Подаваемое тепло как бы стимулирует высвобождение силы магнитной тяги, которая и создает вращающийся момент.
С использованием достижений современной промышленной технологии можно создавать МТЭУ, обладающие мощностью, превышающей десятки и сотни КВт.
C другой стороны, с помощью методов нанотехнологии используя принцип работы МТЭУ, можно создавать наноэлектростанции, которые будут обеспечивать неисчерпаемой энергией наноустройства или нанодвигатели, работающие внутри человеческого (медицина) или иного природного или искусственного организма.
При использовании МТЭУ с целью производства механической и электрической энергии не существует никаких ограничений на вид или тип источника низкопотенциального тепла.
К примеру, это может быть тепло, напрямую излучаемое Солнцем или аккумулированное в воде, в воздухе, в грунте, в материалах с большой теплоемкостью. В равной степени это может быть тепло геотермальных вод, океанских течений, отходы тепла, сбрасываемые в атмосферу в результате производственной деятельности людей, и многое другое.+++