ترکیب نقاط قوت زیست‌ماشین‌های کاتالیزوری با مواد مصنوعی می‌تواند منجر به افزایش بازدهی و دوام تبدیل انرژی خورشید به انرژی شیمیایی شود. فتوسنتز طبیعی فرایندی است که انرژی خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل و آن را در پیوند‌های شیمیایی مولکول‌های آلی ذخیره می‌کند. اگرچه مجموع تولید زیست‌توده مقدار قابل توجهی است – با تبدیل سالانه بیش از صد‌ها میلیارد تن کربن به زیست‌توده – بازدهی تبدیل انرژی خورشید کمتر از ۱٪ است، زیرا گیاهان معمولا تمام نور خورشید را جذب نمی‌کنند و فرآیند سوخت‌و‌ساز آن‌ها بازدهی پایینی دارد. بنابراین دانشمندان معتقدند که می‌توانند سامانه‌های مصنوعی با عملکردی بهتر نسبت به نمونه‌های طبیعی بسازند.
سامانه‌های فتوسنتزی مصنوعی از لحاظ سادگی، کنترل انتقال بار و گستره‌ی طیف نور جذبی بهتر از سامانه‌های کاتالیزوری طبیعی عمل می‌کنند. در مقابل، سامانه‌های زیستی ساز‌و‌کار پیچیده‌تری دارند و انرژی بیشتری مصرف می‌کنند. با این حال، با توجه به انتخاب‌پذیری بهتر سامانه‌های طبیعی نسبت به محصولات پیچیده و خواص خودترمیم‌شوندگی آن‌ها، کارهای زیادی با استفاده از این سامانه‌ها صورت گرفته است. این خواص مخصوصا در راستای تحولات حوزه زیست‌شناسی مصنوعی که امکان سنتز آنزیم‌ها و سلول‌ها با فعالیت کاتالیزوری بهبود یافته و پایداری بالاتر را میسر می‌سازد مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
محققان دریافته‌اند که در آنزیم‌ها و یا حتی سلول‌های کامل ساخته شده از مواد مصنوعی مورد استفاده در سامانه‌های فتوسنتزی نیمه‌مصنوعی، دو جز می‌توانند با همکاری یکدیگر باعث افزایش تبدیل انرژی خورشیدی شوند. به عنوان مثال، سامانه نوری II، تنها آنزیم در طبیعت است که اکسیداسیون آب را انجام می‌دهد. بازدهی این آنزیم در حالت عادی بسیار پایین است، اما هنگامی که این آنزیم با جاذب‌های مصنوعی نور ترکیب می‌شود، بازده اکسیداسیون آب به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. از طرفی با ایجاد اتصالات بین سامانه نوری II، جاذب نور و الکترود، به وسیله پلیمر‌های حاصل از اکسایش-کاهش، انتقال الکترون تا حد زیادی افزایش یافته و بازدهی اکسیداسیون آب افزایش چشم‌گیری می‌یابد. با استفاده از پلیمر‌های حاصل از اکسایش-کاهش، دیگر نیازی به استفاده از واسطه‌های اکسایش-کاهش واپخشی هم وجود ندارد.
برای مثال، سوکول و همکارانش با ایجاد اتصال بین سامانه نوری II و هیدروژناز، موفق به ساخت یک سیستم فتوالکتروشیمیایی جدایش آب بدون بایاس شدند. لازم به ذکر است که این اتصال مستقیم، در طبیعت اتفاق نمی‌افتد. ساکیموتو و همکارانش ادعا کردند که باکتری غیرفتوسنتزی Moorella thermoacetica می‌تواند هنگام مواجهه با یک ماده حساس به نور عادی، کادمیم‌سولفاید، از دی‌اکسید‌کربن، استیک اسید فتوسنتز کند.
همچنین به واسطه کاهش شیمیایی سامانه‌های آنزیم/ سلولی کلوییدی نیمه‌مصنوعی یا فتوکاتدهای بیوهیبریدی، فعالیت‌های تحقیقاتی بسیاری بر روی تولید سوخت یا مواد شیمیایی مانند هیدروژن، آمونیاک، منواکسید‌کربن و هیدروکربن‌ها از آب، نیتروژن و دی‌اکسید‌کربن انجام شده است. با پیشرفت زیست‌شناسی ساختاری، اکنون اطلاعات دقیق‌تری از ساختار بسیاری از آنزیم‌ها به دست آمده است. از طرفی محققان دریافته‌اند که انتقال الکترون و انرژی به سایت‌های فعال در سامانه‌های هیبریدی ماده-آنزیم از طریق دسته‌ای از کوفاکتور‌های انتقال الکترون اتفاق می‌افتد. با این فرضیات، امروزه می‌توان اتصال آنزیم‌ها به الکترود را به منظور انتقال سریع‌تر انرژی، کنترل کرد. با این حال، تخلیص آنزیم‌ها هنوز هم دشوار است و آنزیم‌ها در خارج از ارگانیسم زنده به راحتی ناپایدار می‌شوند. در مقابل، ساخت هیبریدهای ماده-سلول آسان‌تر بوده و این هیبریدها دوام بیشتری هم دارند. بنابراین، به نظر می‌رسد هیبریدهای ماده-آنزیم پتانسیل‌های زیادی دارند، هرچند هنوز تحقیقات بنیادین برای مشخص کردن مسیرهای شیمیایی درگیر در جریان است.
در سامانه‌های هیبریدی ماده-سلول، شناخت و به حداکثر رساندن انتقال بار فضایی، یک چالش کلیدی برای افزایش بازدهی است. ساکیموتو و همکارانش نشان دادند که در سامانه M. thermoacetica-CdS، الکترون‌های تولید شده از CdS به کمک نور، برای تولید استیک اسید از دی‌اکسید‌کربن، از مسیر Wood-Ljungdahl در داخل سلول‌ها منتقل می‌شوند.
ژانگ و همکارانش در مقاله‌ای در مجله Nature Nanotechnology گزارشی از یک سامانه فتوسنتزی بیوهیبریدی ارائه کردند که در آن نانوخوشه‌های طلا در داخل باکتری‌های غیر فتوسنتزی گنجانده شده بودند. به این ترتیب، ارتباط قوی بین مسیرهای سلولی و بخش‌های حساس به نور درون‌سلولی، انتقال الکترون و انرژی برای ثابت نگهداشتن دی‌اکسید‌کربن را تسهیل کرده و در نتیجه بازدهی کوانتومی را ۳۳٪ افزایش می‌دهند. علاوه بر این، سامانه دوام بیشتری دارد، زیرا طلا، نسبت به CdS مورد استفاده در کار قبلی، سازگاری بیشتری دارد. (نانوخوشه‌های درون‌سلولی طلا سمیت کمتری دارند و می‌توانند گونه‌های اکسیژن واکنش‌دهنده را که می‌توانند به سلول‌ها آسیب برسانند، به دام بیندازند.)
اگرچه فتوسنتز نیمه‌مصنوعی، که حاصل اتصال کاتالیزورهای طبیعی و مواد مصنوعی است، پیشرفت زیادی در چند سال گذشته داشته است، مسیر زیادی برای دستیابی به سامانه‌های صرفا طبیعی یا صرفا مصنوعی باقی است. درک و دستکاری رابط مصنوعی-زیستی، همچنان چالش اصلی این حوزه به شمار می‌رود. هیبریدهای آنزیمی می‌توانند به عنوان یک مدل ساده برای به دست آوردن اطلاعات در مورد چگونگی بهبود انتقال بار و افزایش بازده محصولات سامانه‌های هیبریدی سلولی، استفاده شوند. مهندسی پروتیین و یا تکامل هدایت‌شده می‌توانند چشم‌اندازهای آینده برای بهبود عملکرد بیوکاتالیستی آنزیم‌ها یا سلول‌ها باشد. در نهایت، Kornienko و همکارانش در یک مقاله‌ی مروری، بیان کردند که اهمیت تحقیق در سامانه‌های نیمه‌مصنوعی تنها محدود به جست‌وجوی روش‌های جایگزین تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت نمی‌شود و می‌توانند به ما در درک بیوماشین‌های طبیعی کمک کنند.
منبع:
Semi-artificial photosynthesis, Nature Nanotechnology, VOL 13, OCTOBER 2018, 871