将阳光转化为替代能源可以解决消耗不可再生燃料资源的问题。 是否有可能以这种方式增加产量、生物量并摆脱粮食危机？
光合作用反应是如何发生的？
光合作用的本质是将可见光的能量转化为有机物质化学键的能量。
换言之，人体借助光能，从分子中取出电子，将其转移到二氧化碳分子上，还原并转化为有机物分子，然后再被氧化，获得能量。
植物光合作用反应的整个系统在一个方案中：6СО2 + 6H2O = 葡萄糖 (С6H12О6) + 6О2。
在这个复杂的多步骤过程中，关键步骤之一是二氧化碳封存。 当这种情况发生时，二氧化碳会附着在一种叫做核酮糖 (1,5) 二磷酸的化合物上，这是一种具有两个磷酸基团的糖。
酶指导这个反应——核酮糖二磷酸羧化酶，或 rubisco (RuBisCO)。
RuBisCO 是一种酶，它是由 16 条蛋白质链组成的绝对复合物。 大多数酶每秒催化数千次化学转化。
然而，根据条件，Rubisco 仅处理 3 到 10 个二氧化碳分子。 这种低质量的酶只能通过数量来弥补：按重量计算，它占所有水溶性植物蛋白的 30%，这使其成为地球上最丰富的蛋白质。
光合作用的类型
活的生物体有两种可以作为光合作用接收器（天线）的色素。
在绝大多数生物体中，叶绿素起着触角的作用； 不太常见的是维生素 A 衍生物视黄醛用作天线的情况。 据此区分叶绿素和无叶绿素光合作用。
• 无叶绿素光合作用
无叶绿素光合作用系统的特点是组织非常简单，在进化上它被认为是储存电磁辐射能量的主要机制。 作为能量转换机制的无叶绿素光合作用的效率相对较低（每个吸收的量子仅转移一个 H + ）。
• 叶绿素光合作用
叶绿素光合作用与细菌视紫红质的不同之处在于能量储存效率显着提高。 对于每个有效吸收的逆梯度辐射量子，至少有一个 H + 被转移。
无氧
无氧（或缺氧）光合作用在没有氧气释放的情况下发生。 紫色和绿色细菌以及日光杆菌能够进行无氧光合作用。
有氧的
有氧或有氧光合作用伴随着氧气作为副产品的释放。 在有氧光合作用中，发生非循环电子传输，尽管在某些生理条件下，仅发生循环电子传输。 极弱的电子供体，水，在非循环流动中用作电子供体。
农业饥饿
尽管第二次人口转变，地球上的人口仍在不断增长。 如果我们可以随心所欲地按照人口增长的比例提高生育率，那将没有什么大问题。
然而，今天人类已经掌握了大约三分之一适合农业的土地。 南亚、中东和北美洲几乎所有合适的领土都已经被犁过，剩下的地区的发展威胁着我们的侵蚀。
地球上的地方可能会枯竭，因此我们需要寻找新的方法来增加粮食产量。 这已经在以前做过了。
上一次发生这种情况是由于 1950 年代和 1970 年代的“绿色革命”。 然后，新的高产谷物品种的开发、杀虫剂的引入和先进的灌溉系统使得产量大幅提高（几乎是两倍）成为可能。
如何加快光合作用
这个问题的基石是rubisco，我们已经讨论过的酶。
然而，事实证明这并不容易。 单个氨基酸残基的靶向诱变没有导致任何明显的结果。
酶直接进化的方法也被应用到它：在其中，通过引入随机突变的方法创建了大量的Rubisco基因变体。 所有这些品种都应用于大肠杆菌——大肠杆菌。 使用这种方法，研究人员能够增加 Rubisco 蓝藻的活性，该蓝藻在大肠杆菌细胞中效果很好。
但同样的方法不适用于植物。 此外，该酶由两个不同“制造商”的部分组装而成：编码 Rubisco 链的基因不仅存在于细胞核中，还存在于叶绿体基因组中，这使得操作变得复杂。 研究人员必须使用不同的基因修饰技术同时处理两个基因组。
但科学家们并没有放弃这一点。 他们想出了一个新的想法：增加rubisco的数量，因为植物的叶子实际上充满了它。 为此，作者使用了转基因方法。 然而，Rubisco 基因的过度表达是不够的——还需要其他东西来组装这种酶。
在过去的几年里，很明显有几种折叠蛋白参与了 Rubisco 的组装——RAF1 和 RAF2（RuBisCO 组装因子）。 这些蛋白质（称为伴侣）倾向于在组装过程中稳定组装的蛋白质链，使其有时间正确折叠。
这是以前研究的问题：Rubisco 基因确实积极合成了酶的蛋白质“构件”，但缺乏伴侣并不能从半成品多肽链中收集足够量的 Rubisco。 伴侣的数量也需要增加。
因此，作者将这些条件考虑在内，结果转基因玉米叶片中的总rubisco含量增加了30%。
因此，并非所有额外的酶都参与了光合作用的过程。 然而，尽管如此，二氧化碳的最终固定量仍然增加了 15%。 这大大加速了转基因玉米的生长。
由于这项研究，中国科学家在 2020 年设法加速了藻类的光合作用和 花. 科学家们使用捕光聚合物加速了绿藻小球藻和高等植物拟南芥的光合作用。 由于与光合细胞壁的静电和疏水结合，聚合物增加了它们的光合系统活性。
据作者介绍，由于其良好的绿光吸收能力、水溶性和生物相容性，这种合成聚合物可能适用于生物燃料的生产，以及能源和生态学的发展。
输出
目前，在水环境中运行的光伏电池是有效的，但显然是不完善的。 人工光合作用作为结合大气碳的工具仍然非常有效，同时产生稳定的带电粒子流（质子和电子）。
因此，光合电池可以与太阳能电池板结合使用——例如，已经安装在美国私人住宅的屋顶上。
太阳能电池可以将其接收到的部分能量用于电解。 在这种情况下，与之相连的光伏电池将参与结合二氧化碳和分解水以获得氢气，这是一种环保燃料。
用于此类过程的催化剂的开发将不仅限于普通光合作用的复制，还可以合成例如蛋白质或酶。 我们已经学会了如何缩放太阳能电池，所以我们可以用它们来缩放光伏电池。
像这样的技术可以帮助分解有毒废物或塑料，产生氢气和能量。
