Fotosinteza artificială: pot oamenii să imite un miracol al naturii?

Există speranţa că vom crea într-o bună zi, în laboratoare şi uzine, ceea ce natura a creat printr-o trudă evolutivă de mii de milenii? Cât de aproape suntem de a înfăptui şi noi un miracol tehnologic, echivalent ca eficienţă cu cel al naturii?

Ce încearcă savanţii să reconstituie, de fapt?

• De ce ne curge nasul de la mâncarea picantă?
• Sunt alimentele fermentate bune pentru intestine sau doar delicioase?

Fotosinteza este procesul prin care, folosind lumina ca sursă de energie, plantele sintetizează, pornind de la carbonul provenit dintr-o substanţă anorganică simplă (dioxidul de carbon) substanţe organice complexe. Operaţiunile se desfăşoară în organitele specializate ale celulei, numite cloroplaste, care conţin pigmentul verde indispensabil acţiunii – clorofila.

Procesul este extrem de complex, dar, pentru a simplifica explicaţiile, acestea sunt momentele-cheie:

• În prima fază a fotosintezei – faza dependentă de lumină – clorofila absoarbe fotoni din radiaţia luminoasă (o formă de energie electromagnetică) şi eliberează, în schimb, un număr echivalent de electroni.

• Aceşti electroni devin protagoniştii unui şir întreg de reacţii complexe – lanţul transportor de electroni – ce duc la formarea unor enzime necesare în următoarele etape ale fotosintezei.

• Clorofila (care în prima fază a cedat electroni), îşi recuperează electronii din moleculele de apă, într-un proces numit fotoliza apei, realizat cu participarea uneia dintre enzimele formate anterior şi catalizat de structuri oxido-reducătoare ce conţin atomi de mangan şi calciu. Moleculele de apă sunt scindate în ioni de hidrogen şi oxigen; hidrogenul particpă la reacţiile chimice care duc la formarea moleculelor de ATP (o enzimă care reprezintă principala sursă de energie în celula vie), iar oxigenul este, dacă vreţi, un subprodus; el nu mai e necesar plantei în procesul de fotosinteză, aşa că este „aruncat” – eliberat în atmosferă; abia aici devine valoros, întrucît este folosit de nenumărate organisme – inclusiv plantele – într-un proces fiziologic cu totul diferit, acela al respiraţiei.

• În cea de-a doua fază – independentă de lumină – plantele absorb din atmosferă dioxid de carbon şi, cu ajutorul unei armate de enzime, într-un lanţ de operaţiuni complicate, construiesc, din carbonul extras din CO₂, carbohidraţi ca zaharoza sau amidonul, iar pornind de la ele, alte şi alte substanţe organice precum celuloza (materialul din care sunt alcătuiţi, în cea mai mare parte, pereţii celulei vegetale), dar şi lipide (există atâtea plante producătoare de uleiuri) sau aminoacizi, „cărămizile” chimice din care se asamblează proteinele.

Ceea ce e extraordinar la acest proces este eficienţa lui: aproape nimic nu se pierde, ciclurile biochimice funcţionează cu o viteză şi cu o exactitate ce par neverosimile, enzimele sunt reciclate şi se regenerează permanent, iar când te uiţi la repeziciunea cu care cresc şi se dezvoltă unele plante, nu poţi să nu te simţi umil în faţa unei asemenea perfecţiuni: fotosinteza e un fenomen care, deşi studiat până la cele mai ascunse intimităţi la care s-a putut ajunge cu analiza – la nivel biochimic şi molecular – păstrează încă un aer de miracol, de supranatural.

Şi atunci, ce şanse au oamenii de ştiinţă să prindă şi să înhame la carul tehnologiei inventate de om această forţă a naturii? Ei, bine, spre cinstea celor care se străduiesc s-o facă, au existat, în ultimii ani, progrese notabile.

Atunci când petrol nu va mai fi…

O primă abordare are ca subiect fotoliza apei, una dintre etapele procesului de fotosinteză; astfel, într-o primă accepţie, expresia fotosinteză artificială se poate referi la reproducerea în laborator a procesului de scindare a moleculelor de apă sub acţiunea luminii.

Scopul cercetărilor în această direcţie este obţinerea pe scară largă a hidrogenului, considerat o sursă ieftină de energie „curată”, baza unei viitoare economii de nivel superior, aşa-numita economie bazată pe hidrogen, marea speranţă a unei omeniri asfixiate de consecinţele economiei bazate pe combustibili fosili, cea în care trăim în prezent.

Descompunerea fotocatalitică a apei ar putea furniza cantităţi mari de hidrogen, printr-un proces nepoluant şi eficient, deci sustenabil. Elementul-cheie îl constituie catalizatorii – substanţe care înlesnesc, ajută, stimulează un proces; în cazul de faţă, procesul de separare a moleculei de apă în elementele componente, oxigenul şi hidrogenul. Una dintre aceste tehnologii presupune un concept simplu – substanţe catalizatoare aflate în suspensie în apă, fără a mai fi nevoie de celule fotovoltaice (acestea transformă energia solară în energie electrică) sau de sisteme electrolitice (care să descompună apa cu ajutorul curentului electric). Cu alte cuvinte, un rezervor plin cu apă în care au fost amestecate substanţele catalizatoare potrivite, expus la soare, ar produce hidrogen! Simplu şi eficient. Marea provocare o constituie obţinerea unor catalizatori care să fie totodată eficienţi şi ieftini.

Într-o abordare diferită, dar dedicată aceluiaşi scop – obţinerea de hidrogen mult, cu mijloace ieftine – cercetătorii de la Massachusetts Institute of Technology au experimentat cu cipuri pe bază de siliciu – din care sunt făcute şi panourile fotovoltaice – acoperite cu substanţele ce servesc drept catalizatori şi scufundate în apă. Marea lor realizare constă în faptul că au reuşit să facă totul mult mai ieftin, înlocuind catalizatorii costisitori pe bază de aur, indiu, rodiu şi platină, utilizaţi în experimente anterioare, cu unii mult mai ieftini, pe bază de cobalt. Recent, echipa de cercetători de la MIT, condusă de profesorul Daniel G. Nocera, a anunţat că a obţinut ceea ce ei numesc prima „frunză artificială”: un mini-panou solar, de mărimea unei cărţi de joc, din material semiconductor ieftin, acoperit cu compuşi catalizatori şi care, scufundat în apă, imită fotosinteza (partea cu descompunerea fotocatalitică a apei) cu mare eficienţă, este stabil şi rezistent la uzură.

Aspectul cel mai dificil -care dă, de ani de zile, bătăi de cap tuturor cercetătorilor care studiază tehnologiile necesare economiei bazate pe hidrogen – este găsirea unor metode eficiente de stocare a hidrogenului şi a oxigenului rezultate din reacţie, în vederea utilizării lor viitoare. Fără o tehnologie eficientă de stocare, trecerea de la prototipul realizat în laborator la instalaţia de mari dimensiuni, pentru uz industrial, nu este posibilă.

Apă + lumină = zahăr?

O a doua accepţie a termenului fotosinteză artificială este asociată unei ambiţii încă şi mai măreţe: aceea de a reuşi să reproducem, cu mijloace tehnologice, performanţa plantelor de a lua carbonul din aer, hidrogenul şi oxigenul din apă şi de a le transforma, cu ajutorul luminii luate de la soare, în carbohidraţi. Simplist vorbind, să ne imaginăm că punem într-un borcan apă şi catalizatorii potriviţi, aşezăm borcanul la soare şi, după cîteva zile, avem în borcan apă cu un conţinut interesant – din punct de vedere cantitativ – de zaharuri, pe care le-am putea extrage, purifica şi folosi: am putea face din ele etanol (pentru a-l utiliza drept combustibil), acid acetic, alte şi alte substanţe de uz industrial, dacă nu alimentar.

Ideea de bază, pentru o utilizare la scară „macro” în economia viitorului, este de a produce, din apă, lumină şi un catalizator nu prea scump, nişte substanţe pe care să le putem utiliza drept combustibili, pentru a scăpa de dependenţa de petrol (şi alţi combustibili fosili) şi a reduce poluarea cu CO2 şi consecinţele ei cele mai urâte – efectul de seră artificial şi încălzirea globală.

Ca să reuşim asta, trebuie să izbutim şi noi ceea ce a izbutit natura: să folosim catalizatori capabili să se autoregenereze, într-un proces ciclic, aşa cum se întâmplă în frunză cu coenzima NADP+/NADPH (NADP este prescurtarea de la nicotinamide adenine dinucleotide phosphate – o enzimă care intervine în diverse mecanisme biochimice din celule, printre care şi în lanţul transportor de electroni din fotosinteză; NADPH este forma redusă a NADP+, rezultată din reacţiile de oxido-reducere care au loc în procesul fotosintezei).

O celulă fotosintetizantă nu are nevoie de surse externe de catalizator, căci rezervele de coenzima NADP+/NADPH se refac permanent, într-un proces ciclic. Dar în sistemele artificiale create în laborator, omul nu a reuşit încă să reproducă acest mecanism cu aceeaşi eficienţă şi economie de mijloace cu care se petrec lucrurile în frunza verde.

De aici, ambiţia actuală a specialiştilor: aceea de a obţine un catalizator inspirat de NADPH, care să fie în stare să recreeze procesul ciclic întâlnit în natură. Treaba implică o chimie complicată – donori de ioni de hidrogen care s-ar regenera sub acţiunea luminii, paralel cu formarea carbohidraţilor.

Unul dintre cele mai competente colective de specialişti implicate în cercetarea asupra fotosintezei artificiale – cel de la Laboratorul Naţional Brookhaven, din SUA – înaintează în această direcţie, utilizând un catalizator pe bază de ruteniu (un metal din grupa platinei) care se comportă în acelaşi mod ca şi complexul NADP+/NADPH, acţionând în transferul de protoni şi electroni necesar transformării acetonei în alcool izopropilic. Acetona şi alcoolul izopropilic sunt două substanţe organice ce conţin atomi de carbon, hidrogen şi oxigen (aceleaşi elemente ca şi cele din zaharuri), poate nu foarte complicate ca structură, dar îndeajuns de complexe, totuşi, pentru a da speranţe cercetătorilor: dacă reducerea acetonei până la alcool izopropilic este posibilă, în prezenţa luminii, atunci există speranţe că, într-o zi, o replică mai fidelă a fotosintezei naturale va fi posibilă în condiţii artificiale şi vom putea fabrica substanţe complexe – şi mai ales combustibili – în „borcane” enorme (rezervoare) cu apă, expuse la soare şi la dioxidul de carbon din aer.

Interesul de a stăpâni în laborator acest proces este evident, azi, când suferim nu numai de pe urma preţurilor mari ale carburanţilor, ci şi de pe urma unei supraîncărcări cu dioxid de carbon a atmosferei, iar masa de frunziş care ne-ar debarasa, natural şi pe gratis de surplusul de CO₂ – marile păduri ale Terrei – scade văzând cu ochii.

Obţinerea de combustibili prin fotosinteză artificială s-ar face fără a ocupa mari suprafeţe agricole (spre deosebire de biocombustibilii obţinuţi convenţional, din plante cultivate), un mare avantaj în starea actuală a lumii, când tot mai mult teren e ocupat de culturi destinate producerii biocarburanţilor, ceea ce a dus la creşterea preţurilor la alimente în ţările în curs de dezvoltare şi a silit milioane de oameni să rabde de foame.

În luna august a acestui an va avea loc în Australia o conferinţă internaţională dedicată fotosintezei artificiale. Toate marile nume ale cercetării de profil vor fi acolo, pentru a discuta despre rezultatele experimentelor de pînă acum, despre impactul acestor tehnologii, despre utilitatea lor ca fundaţie a economiei viitorului.

E drept, nu-i deloc uşor să imiţi natura: cu toate studiile aprofundate, duse până la nivel molecular, viaţa plantelor are încă mii de secrete neînţelese de om. Şi totuşi, progresele de până acum – aşa, la scară redusă, de laborator, cum sunt ele deocamdată – ne ajută să sperăm că, atunci când petrolul, cărbunele şi gazele naturale se vor fi isprăvit, vom avea ce pune în loc – o tehnologie mai bună, mai eficientă, mai curată, învăţată de la natură.