Цианобактерии: штаммы-продуценты водорода, проблемы и перспективы
Основные трудности, мешающие достичь высокой продуктивности цианобактерий в процессе выделения молекулярного водорода, сводятся к следующим:
- эффективное поглощение водорода клетками цианобактерий;
- низкая эффективность нитрогеназы и/или гидрогеназы;
- ограниченные количества активных водород-выделяющих ферментов;
- ыысокая чувствительность нитрогеназы и /или гидрогеназы к кислороду;
- ингибирование потока электронов в результате накопления АТФ в гидрогеназной системе;
- низкая квантовая эффективность вследствие слишком больших антенн как в ФСI, так и в ФСII;
- потребляющие электроны метаболические пути (дыхание и цикл Кальвина) конкурируют за электроны с гидрогеназами.
Можно предложить следующие пути преодоления этих проблем:
- получение мутантов с нарушенной поглощающей гидрогеназой;
- у нитчатых гетероцистных цианобактерий повышение эффективности продукции водорода гетероцистами;
- получение мутантов с более высоким числом гетероцист;
- уменьшение размера антенных комплексов фотосистем с целью направления большего потока Н+ и е- к гидрогеназе;
- поиск новых штаммов цианобактерий, включая симбиотические, морские и термофильные, способные к продукции водорода в аэробных условиях.
Для повышения продукции H2 нитчатыми образующими гетероцисты цианобактериями можно использовать различные подходы. Основные направления могут быть следующими:
- увеличение эффективности продукции H2 гетероцистами,
- увеличение количества гетероцист, обычно составляющих 10% всех клеток в нити цианобактерий [ Шестаков С.В., Михеева Л.Е. 2006 , Wolk C.P. 2005 ],
- уменьшение размера фотосинтетических антенн и перенаправление большего числа потоков протонов H+ и e- к гидрогеназе [ Kruse O., et al. 2005 ].
Эффективность продукции H2 гетероцистами может быть увеличена либо с помощью генетически модифицированной нитрогеназы Anabaena с целью получения главным образом H2, как это было сделано для Azotobacter vinelandii [ Fisher K., et al. 2000 ], либо замещением нитрогеназы другим ферментом, например, эффективной обратимой гидрогеназой, потенциально производящей больше H2. В клетках Anabaena это может быть обратимая гидрогеназа, которая кодируется генами hoxEFUYH [ Schmitz O., et al. 1995 ].
Другие перспективные проекты направлены на создание штаммов, в которых активность поглощающей гидрогеназы блокирована и Mo-содержащая нитрогеназа ( ген hif1 ) замещена на ванадий-содержащую нитрогеназу ( гены nifDGK ), которая более эффективно использует энергию электронов для восстановления протонов до молекулярного водорода [ Prince R.C., Kheshgi H.S. 2005 ].
Количество гетероцист может быть увеличено путем генно-инженерных манипуляций с генами, контролирующими формирование гетероцист, и с генами, вовлеченными в контроль азотного метаболизма. Один из таких генов - ген ntcA . Он кодирует ДНК-связывающий белок, взаимодействующий с промоторами генов, кодирующих поглощающую гидрогеназу, чья транскрипция активируется в гетероцистах [ Sjoholm J., et al. 2007 , Axelsson R., et al. 1999 ].
Теоретически, существенное увеличение выхода и стабильной продукции H2 на свету могло бы быть достигнуто конструированием цианобактериального штамма, в котором была бы достигнута переадресовка большего количества потоков протонов и электронов от фотосистем к гидрогеназе [ Kruse O., et al. 2005 ]. Например, пятикратная стимуляция скорости светозависимой продукции H2 наблюдалась в сконструированном штамме Synechocystis PCC 6803, полученном с помощью делеции гена, отвечающего за сборку NADPH дегидрогеназы (NDH-1) [ Cournac L., et al. 2004 ]. Такая мутация блокирует циклический поток электронов от ФСI к пулу пластохинонов, что приводит к изменению направления потока электронов для восстановления НАДФ+.
Некоторые свойства потенциального мутанта, делающего его перспективным для получения молекулярного водорода, обобщены на рис.1.
Несомненно, фотобиологическая продукция водорода представляет собой ценный возобновляемый источник энергии. Однако предварительным условием оптимизации процесса промышленного получения фотоводорода является улучшение существующих систем на биохимическом уровне таким образом, чтобы они могли производить водород со скоростью и эффективностью, превышающей эффективность энергии, которая достигается в современных фотоэлектрических системах.
