Природный фотосинтез состоит из двух этапов: световой и темновой фазы. В результате световой реакции образуются источники энергии АТФ и НАДФ-Н. Эти молекулы затем используются в темновой реакции для синтеза глюкозы из углекислого газа. Второй этап, как следует из названия, не требует света.
По словам исследователей, процесс преобразования углекислого газа с помощью солнечной энергии действует как «поглотитель» углерода, то есть количество поглощаемого углерода превышает количество выделяемого. Но использовать природный фотосинтез, чтобы уменьшить выбросы, не так просто. Использование фотосинтезирующих микроорганизмов, например, цианобактерий (сине-зеленых водорослей), затруднено из-за медленного роста и необходимости повышения производительности для соответствия промышленным масштабам.
Одно из решений — интегрировать фотосинтез в нефотосинтезирующие микробы. Так, китайским ученым удалось разработать новую систему фотосинтеза для бактерий E. coli, состоящую из световой и темновой фаз. Эта система позволила производить биопродукты с отрицательным углеродным следом.
В результате световой реакции содержание АТФ увеличилось на 338%, а НАД-H, который кишечная палочка генерирует вместо НАДФ-H, на 383% при времени удвоения 19,86 часа. НАД-H — это важный кофермент, который участвует во многих биохимических реакциях в живых клетках.
Реакцию запрограммировали с помощью установки энергетического адаптера. Система способна функционировать и без этого устройства, однако его наличие позволяет переключаться на производство различных веществ, таких как ацетон, яблочная и α-кетоглутаровая кислоты. По словам исследователей, объединение световой фазы, темновой реакции и «мини-программы» привело к созданию новой интеллектуальной фотосинтетической системы.
Ученые уверены, что новая технология может помочь сельскому хозяйству и уменьшить загрязнение от углекислого газа. В будущем для фотосинтеза планируется использовать дрожжи или лекарственные бактерии.