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Jüngste Forschungen zur Biolumineszenz, die die Photosynthese antreibt?


2013 wurde eine chinesische Studie zum Thema „Biolumineszenz als Lichtquelle für die Photosynthese“ veröffentlicht, die hier kurz zusammengefasst wird Chemie Welt Artikel. Auf Biology.SE gab es etwa ein Jahr zuvor eine Frage zur Machbarkeit einer solchen (und eine etwas ähnliche Frage für die Photovoltaik auch im Jahr 2013).

Meine Frage hier ist, ob es neuere Forschungen auf dem Gebiet der Biolumineszenz gibt, die die Photosynthese antreibt? Bonus, wenn es noch spezifischer mit irgendeiner Art von Pflanzenproduktion (also in größerem Maßstab) zu tun hat.

Bitte beachten Sie:

  • Ich bin kein Biologe (das letzte Mal, dass ich Biologie studiert habe, war vor einigen Jahren AP Biology in der High School).
  • Aus den anderen Antworten hier auf Biology.SE verstehe ich, dass die Verwendung von Biolumineszenzlicht zum "Antreiben" von Dingen ineffizient ist, aber ich bin immer noch an weiteren Theorien im Zusammenhang mit der Photosynthese interessiert (daher die Frage nach neueren Forschungen). ) für die Zwecke einer fiktiven Arbeit, die ich verfolge, bei der Sonnenlicht keine Option ist. Stellen Sie sich als Nebenfrage einen "Himmel" aus Biolumineszenz vor; Würde das ausreichen, um ein gewisses Maß an Getreide oder Bäumen anzubauen?

Jüngste Forschungen zur Biolumineszenz, die die Photosynthese antreibt? - Biologie

Mikroalgen, auch Phytoplankton genannt, sind häufig vorkommende Mikroorganismen, die in Süßwasser- und Meeresumgebungen vorkommen. Phytoplankton ist für die globale Biogeochemie von entscheidender Bedeutung, da es durch Photosynthese den größten Teil des Sauerstoffs auf der Erde produziert. Sie bilden die Basis des marinen Nahrungsnetzes und sind Primärproduzenten von organischem Kohlenstoff. Mikroalgenarten können hochwertige chemische Produkte wie Carotinoide, Antioxidantien, Fettsäuren und Sterole synthetisieren. In jüngster Zeit sind Mikroalgen in Form von Biodiesel ein attraktiver Rohstoff für Biokraftstoffe.

In diesem kompakten Buch beschreiben Fachautoren die neuesten Forschungsergebnisse und neuesten Ansätze zur Untersuchung dieser wichtigen Organismen sowie die traditionelleren Methoden wie die Morphotaxonomie. Der Leser erhält zunächst praktische Informationen über die Kultivierung von Phytoplankton, Nährmedien und Teilungsraten für verschiedene Algenarten, optische Techniken und automatisierte Instrumente wie Durchflusszytometrie. Darüber hinaus werden Methoden und Ansätze zur Untersuchung der Genexpression und -regulation in Phytoplankton besprochen. Ein eigenes Kapitel ist der Diskussion der Algenblüte und ihrer Auswirkungen auf die lokale Umwelt gewidmet. Coccolithophor Emiliania Huxleyi und biolumineszierende Mikroalgen werden von Experten auf diesen Gebieten gründlich überprüft. Schließlich gibt dieses Buch einen Überblick über den Stand der Technik der Mikrofluidik und vor Ort Sensoren zur Identifizierung von Phytoplankton.

Dieser Band ist ein maßgeblicher und zeitgemäßer Überblick über die aktuelle Forschung zu Mikroalgen. Es könnte ein unverzichtbares Werkzeug für jeden sein, der in diesem Bereich arbeitet oder mehr über diese Mikroorganismen erfahren möchte.

(EAN: 9781910190272 9781910190289 Fachgebiete: [Mikrobiologie] [Bakteriologie] [Molekulare Mikrobiologie] [Umweltmikrobiologie] )


Aufschluss über den Mechanismus, wie Pflanzen die Stärkesynthese regulieren

Abbildung 1: CRCT bildet einen Komplex mit 14-3-3-Protein im Zellkern. Bildnachweis: Universität Kobe

In einer Weltneuheit hat eine Forschungsgruppe der Universität Kobe unter der Leitung von Associate Professor FUKAYAMA Hiroshi von der Graduate School of Agricultural Science Reis verwendet, um erfolgreich den Mechanismus aufzuklären, durch den Pflanzen die Menge an Stärke regulieren, die durch Photosynthese produziert wird. Dieses Wissen könnte dazu beitragen, die Qualität und den Ertrag landwirtschaftlicher Nutzpflanzen zu verbessern.

Diese Forschungsergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift veröffentlicht Pflanze, Zelle & Umwelt am 14.05.2021.

Die erhöhte CO2-Konzentration in der Atmosphäre ist die Hauptursache für die globale Erwärmung, die weltweit ein Thema ist. Es wurde jedoch gesagt, dass dies den Pflanzen zugute kommen könnte, da sie CO . umwandeln2 durch Photosynthese in Stärke umgewandelt. Wenn eine Kultur unter Bedingungen mit erhöhter CO .-Konzentration angebaut wird2, wird die Stärkesynthese beschleunigt, was zu kräftigem Wachstum und erhöhtem Ertrag führt. CO2-Responsive CCT-Protein (CRCT) wird unter Bedingungen aktiviert, bei denen CO2 Die Konzentration ist hoch, ihre Funktion blieb jedoch unbekannt. Diese Forschungsgruppe hat diese Proteine ​​an Reispflanzen untersucht und zuvor entdeckt, dass CRCT ein wichtiges Protein ist, das die Stärkesynthese reguliert. In ihren neuesten Erkenntnissen hat die Gruppe aufgezeigt, wie die CRCT diesen bisher nicht verstandenen Prozess reguliert.

Forschungsmethodik und Ergebnisse

Für die Stärkesynthese in Pflanzen werden verschiedene Proteine ​​benötigt, darunter Glucose-6-Phosphat/Phosphat-Translokator, ADP-Glucose-Pyrophosphorylase, Stärkesynthase und Stärkeverzweigungsenzym. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass CRCT die Expression mehrerer Gene reguliert, die diesen mit der Stärkesynthese verwandten Proteinen entsprechen. Proteine, die die Genexpression regulieren, werden Transkriptionsfaktoren genannt. In vielen Fällen bilden diese Transkriptionsfaktoren einen Komplex mit einem anderen Protein. Als die Forscher das CRCT-Volumen in einer Pflanze analysierten, entdeckten sie, dass es mit einigen Proteinarten einen Komplex bilden kann. Um dies weiter zu untersuchen, führten sie eine Analyse mit einem Antikörper durch, der spezifisch an CRCT bindet, die ergab, dass CRCT an 14-3-3-Proteine ​​bindet. Aus einer anderen Analyse, diesmal mit grün fluoreszierenden Proteinen, zeigte die Forschungsgruppe, dass CRCT und 14-3-3 Protein einen Komplex im Zellkern bilden (Abbildung 1). Sie wiesen auch auf die Möglichkeit hin, dass CRCT in die stärkespeichernden Parenchymzellen wandert und dort aktiviert wird, nachdem es in den Leitbündeln des Phloems synthetisiert wurde. Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass CRCT die Transkription fördert, indem es an Regionen bindet, die die Expression mehrerer Gene, die mit der Stärkesynthese in Verbindung stehen, regulieren.

Es ist bekannt, dass zwischen der Expression von 14-3-3-Proteinen und der Stärkemenge eine negative Korrelation besteht. Unsere Ergebnisse zeigten jedoch, dass es eine positive Korrelation zwischen der Stärkemenge und der Expression von CRCT gibt. Folglich geht die Forschergruppe davon aus, dass 14-3-3-Protein und CRCT einen inaktiven Komplex bilden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Angenommener CRCT-vermittelter Mechanismus für die Regulierung der Stärkesynthese CRCT bindet mit 14-3-3-Protein im Zellkern, um einen inaktiven Komplex zu bilden. CRCT wird dann durch Zucker, die durch Photosynthese hergestellt wurden, hochreguliert. Es wird angenommen, dass die CRCT-Proteine, die nicht an 14-3-3-Proteine ​​binden, stattdessen an die Regulationsstellen von Genen, die mit der Stärkesynthese in Verbindung stehen (wie AGPL1), binden und die Transkription fördern. Bildnachweis: Universität Kobe

Die Stärkesynthese ist für Pflanzen unabdingbar, und CRCT, die diesen Prozess reguliert, ist ein Hauptziel für Bemühungen zur Verbesserung der Pflanzenqualität und -produktivität. Darüber hinaus ist CRCT ein Gen, das unter Bedingungen mit erhöhter CO .-Konzentration aktiviert wird2, und dieses Wissen wird in Zukunft für die Auswahl geeigneter Reissorten für solche Umgebungen nützlich sein. Darüber hinaus wurden in jeder bisher untersuchten Pflanze ähnliche Gene wie CRCT gefunden. Die Forschungsgruppe untersucht derzeit auch die CRCT-Funktion bei Kartoffel, einer Grundnahrungsmittel-Stärke.

Aus wissenschaftlicher Sicht gibt es noch Fragen, die beantwortet werden müssen. Betrachtet man die aktuellen Forschungsergebnisse, kann man davon ausgehen, dass sich CRCT-Proteine ​​zwischen Zellen bewegen, der zugrunde liegende Mechanismus ist jedoch nicht bekannt. Darüber hinaus ist nicht bekannt, wie CRCT seinen eigenen Expressionsspiegel als Reaktion auf CO . ändert2 Konzentrationen und Zuckerwerte. Wenn der Mechanismus der CRCT-vermittelten Regulierung der Stärkesynthese vollständig aufgeklärt werden kann, können noch größere Verbesserungen bei landwirtschaftlichen Nutzpflanzen erzielt werden.


BIOLUMINESZENZ

Einführung

Biolumineszenz („lebendiges Licht“) ist die Bezeichnung für die sichtbare Lichtemission lebender Organismen. Es ist in der Natur weit verbreitet (∼666 Gattungen aus 13 Phyla) und einige repräsentative Beispiele für biolumineszierende Organismen sind in Tabelle 1 gezeigt. In der Meeresumwelt wurde geschätzt, dass im schwach beleuchteten Mittelozean zwischen 200 und 1200 m ∼ 95 % der Fische und 86 % der Garnelen und Tintenfische biolumineszierend sind. In Oberflächenwasser <10% und in den Tiefen des Abgrunds sind <25% der Organismen biolumineszierend. Das Phänomen der Biolumineszenz ist seit der Antike bekannt. Aristoteles (384–322 v. Chr.) beschrieb das Leuchten von Pilzen und toten Fischen in De Anima, und 1668 stellte Robert Boyle den Sauerstoffbedarf in biolumineszenten Reaktionen fest. Dubois führte in den späten 1880er Jahren Experimente mit Heiß- und Kaltwasserextrakten von Feuerkäfern und Muschelextrakten durch und zeigte, dass eine Lichtemission resultierte, wenn die Heiß- und Kaltwasserextrakte in Gegenwart von Sauerstoff miteinander vermischt wurden. Er nannte den hitzelabilen (kaltes Wasser) Extrakt Luciferase und den hitzestabilen (heißes Wasser) Extrakt Luciferin. Diese generischen Namen werden für die Enzyme (Luciferase) und Substrate (Luciferin) in biolumineszenten Reaktionen verwendet. Es muss jedoch beachtet werden, dass Luciferasen und Luciferine aus verschiedenen Organismen sich in ihrer chemischen Struktur und Zusammensetzung stark unterscheiden (Tabelle 2). Luciferine umfassen beispielsweise Aldehyde, Imidazolopyrazine, Benzothiazole, Tetrapyrrole und Flavine (Abbildung 1). Die Funktion der Biolumineszenz ist vielfältig und umfasst das Anlocken von Beute (Midshipman-Fisch, Porichthys), Tarnung (Beilfisch), Schwarm (Euphausiiden-Garnelen), Sehvermögen (Taschenlampenfisch), Paarung (Glühwürmchen) und Symbiose (Meeresbakterien).

Tabelle 1 . Beispiele für biolumineszierende Organismen

OrganismusGemeinsamen NamenWellenlänge der Lichtemission (Bereich oder max) (nm)
Aequorea AequoreaQualle500–523
Agyropelecus affinisBeilfisch∼480
Arachnocampa luminosaGlühwürmchen aus Neuseeland
Diplokardie longaRegenwurm500
Gonyaulax polyedraDinoflagellaten479
Lampyris noctilucaGlühwürmchen
Malacosteus nigerStomiatoid Fisch469–702
Mneniopsis leidyiSeekamm485
Obelia geniculataSeetanne475
Phrixothrix tiemaniEisenbahnwurm∼560 (A) a
625 (H) a
Pholas daktylusPiddock490
Photinus pyralisGlühwürmchen530–590
Photoblepheron palpebratusTaschenlampe Fisch490
Pleurotus japonicusMondnachtpilz524
Plutonaster sppSeestern
Quantula striataLandschnecke
Renilla reniformisSeestiefmütterchen480
Vargula hilgendorfiiSeeglühwürmchen460
Vibrio FischeriMeeresbakterium489
Watasenia scintillansGlühwürmchen Tintenfisch

Sichtbares Spektrum: Blau 400–500 nm, Grün–Gelb 500–575 nm, Orange–Rot 575–700 nm.

a A = Bauchorgan H = Kopforgan.

Tabelle 2 . Eigenschaften und Molekularbiologie von Luciferasen und Photoproteinen

OrganismusProteinmR (Untereinheiten, MR) (kDa)Gen
Aequorea victoriaApoaequorin∼20aeq
Gonyaulax polyedraLuziferase420 a luc
Obelia geniculataApoobelin∼20ApoObl
Photinus pyralisLuziferase100 (2, 62) b Luc
Pyrophorus plagiophthalamusLuziferase62Luc
Renilla reniformisLuziferase35Ruc
Vargula hilgendorfiiLuziferase∼60 (6, 10)Vuc
Vibrio fisheriLuziferase77 (2, 40 + 37)luxA, luxB

Abbildung 1 . Strukturen von Luciferinen: (A) Napfschneckenluciferin (z. B. Latia) (B) Glühwürmchen-Luciferin (z. B. Photinus): (C) Dinoflagellat Luciferin (z. B. Gonyaulax) (D) Coelenterat-Luciferin (z. B. Renilla, Aequorea) (E) bakterielles Luciferin (z. B. Vibrio, Photobakterium).


Forschung zeigt, dass die globale Photosynthese auf dem Vormarsch ist

Die Vorstellung eines Künstlers, der dieses Werk repräsentiert. Die Konzentration des atmosphärischen Spurengases Carbonylsulfid wird durch die photosynthetische Aktivität der terrestrischen Biosphäre beeinflusst und seine Variation über Jahrhunderte wird in antarktischem Schnee und Eis bewahrt, was Einblicke in die Reaktion von Schlüsselprozessen auf Klima- und Umweltveränderungen gibt. Bildnachweis: NASA und UC Merced.

Die Photosynthese der Pflanzen war vor der industriellen Revolution Hunderte von Jahren stabil, wuchs jedoch im 20 Natur.

"Praktisch alles Leben auf unserem Planeten hängt von der Photosynthese ab", sagte Professor Elliott Campbell von der UC Merced, der die Forschung leitete. "Das globale Pflanzenwachstum im Auge zu behalten sollte ein zentrales Ziel der Menschheit sein."

Photosynthese ist der Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht nutzen, um Kohlendioxid (CO2) in Kohlenhydrate umzuwandeln, um ihr Wachstum und andere Aktivitäten anzukurbeln.

Den Forschern fehlt jedoch ein klares Bild der globalen Trends in der Photosynthese in den letzten Jahrhunderten. Einige menschliche Aktivitäten könnten das Pflanzenwachstum stimuliert haben, während andere die Photosynthese behindert haben. Widersprüchliche Ergebnisse verschiedener Experimente haben die wissenschaftliche Debatte seit Jahren geschürt.

Aber vielleicht nicht mehr lange. Campbell und ein interdisziplinäres, internationales Wissenschaftlerteam entdeckten eine chemische Aufzeichnung der globalen Photosynthese, die Hunderte von Jahren umfasst.

"Frühere Studien haben kleine physische Bereiche oder kurze Zeiträume abgedeckt", sagte Campbell. "Wir haben uns auf den Weg gemacht, einen Langzeitrekord für den ganzen Planeten zu finden."

Die Forscher schätzen, dass die Summe aller pflanzlichen Photosynthese auf der Erde im Laufe der 200-jährigen Aufzeichnung, die sie erfasst haben, um 30 Prozent gewachsen ist.

"Studien haben bereits beispiellose Veränderungen des Klimas und der Treibhausgase während des Industriezeitalters gezeigt", sagte Campbell. "Jetzt haben wir Beweise dafür, dass es auch bei den Pflanzen der Erde eine grundlegende Verschiebung gibt."

Die Forschung hat die Ursache der erhöhten Photosynthese nicht identifiziert, aber Computermodelle haben mehrere Prozesse gezeigt, die zusammen eine so große Veränderung des globalen Pflanzenwachstums bewirken könnten.

Die führenden Kandidaten sind steigende atmosphärische CO2-Werte, ein Ergebnis von Emissionen aus menschlichen Aktivitäten längerer Vegetationsperioden, ein Ergebnis des Klimawandels durch CO2-Emissionen und Stickstoffverschmutzung, ein weiteres Ergebnis der Verbrennung fossiler Brennstoffe und der Landwirtschaft.

Die menschlichen Aktivitäten, die dem Wachstum der Photosynthese zugrunde liegen, haben sowohl positive als auch negative Konsequenzen.

"Der steigende CO2-Gehalt stimuliert die Ernteerträge", sagte Campbell von der School of Engineering und dem Sierra Nevada Research Institute. "Aber es kommt auch Unkräutern und invasiven Arten zugute. Vor allem verursachen CO2-Emissionen den Klimawandel, der die Überschwemmungen von Küstenstädten, extreme Wetterbedingungen und die Versauerung der Ozeane verstärken wird."

Ein weiterer Effekt des Anstiegs der Photosynthese ist, dass Pflanzen CO2 aus der Luft entfernen und in Ökosystemen speichern können. Leider übersteigen die CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe jede Aufnahme durch Pflanzen.

"Der Anstieg der Photosynthese war nicht groß genug, um die Verbrennung fossiler Brennstoffe auszugleichen", sagte der Co-Autor des Papiers Joe Berry von der Carnegie Institution for Science. "Die Bremsen der Natur sind bereits überfordert. Jetzt liegt es an uns, die CO2-Konzentration in der Atmosphäre zu reduzieren."

Die Forscher entdeckten die Aufzeichnungen der globalen Photosynthese, indem sie antarktische Schneedaten analysierten, die von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) erfasst wurden.

Gase, die in verschiedenen Schichten des antarktischen Schnees eingeschlossen sind, ermöglichen es Wissenschaftlern, globale Atmosphären der Vergangenheit zu untersuchen. Der Schlüssel war, ein im Eis gespeichertes Gas zu finden, das eine Aufzeichnung des Pflanzenwachstums der Erde liefert.

Frühere Studien haben gezeigt, dass Carbonylsulfid (COS) diese Funktion erfüllt. COS ist ein Cousin von CO2, und Pflanzen entfernen COS aus der Luft durch einen Prozess, der mit der Art und Weise zusammenhängt, wie sie CO2 aufnehmen.

Während die Photosynthese eng mit dem atmosphärischen COS-Gehalt verbunden ist, können auch andere Prozesse in Ozeanen, Ökosystemen und der Industrie den COS-Gehalt verändern.

Um all diese Prozesse zu berücksichtigen, koordinierte Campbell die Analyse zwischen Mitgliedern des Forschungsteams, darunter Ulli Seibt von der UCLA Steve Smith vom Pacific Northwest National Laboratory Steve Montzka von der NOAA Thomas Launois vom Institut National de la Recherche Agronomique Sauveur Belviso vom Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement Laurent Bopp vom Laboratoire de Météorologie Dynamique und Marko Laine vom Finnischen Meteorologischen Institut. Ihre Arbeit wurde vom U.S. Department of Energy, NOAA, der Academy of Finland, H2020 und dem European Research Council finanziert.

Zukünftige Forschung, so die Forscher, wird die Untersuchung aktueller Veränderungen in der Photosynthese unter Verwendung der laufenden COS-Messungen der NOAA umfassen.

"Ein Teil der Vorhersage des zukünftigen Zustands unserer Atmosphäre hängt vom Verständnis der natürlichen Mechanismen und ihrer Veränderungen im Laufe der Zeit ab", sagte Montzka, Forschungschemiker bei NOAA. "Wir machen Messungen und Beobachtungen, und wenn wir das nicht weiter tun, werden wir nicht die grundlegenden Informationen haben, die wir brauchen, um wichtige Fragen zu zukünftigen atmosphärischen Veränderungen zu beantworten."

Chris Field, ein Klimawissenschaftler an der Stanford University, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte, die neuen Ergebnisse "liefern einen weiteren Beweis, der die dynamische Natur der Ökosysteme der Erde und das große Ausmaß der durch menschliches Handeln verursachten Veränderungen bestätigt."


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Wissenschaft

Band 370, Ausgabe 6522
11. Dezember 2020

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Von Songhan Wang, Yongguang Zhang, Weimin Ju, Jing M. Chen, Philippe Ciais, Alessandro Cescatti, Jordi Sardans, Ivan A. Janssens, Mousong Wu, Joseph A. Berry, Elliott Campbell, Marcos Fernández-Martínez, Ramdane Alkama, Ramdane Alkama , Pierre Friedlingstein , William K. Smith , Wenping Yuan , Wei He , Danica Lombardozzi , Markus Kautz , Dan Zhu , Sebastian Lienert , Etsushi Kato , Benjamin Poulter , Tanja GM Sanders , Inken Krüger , Rong Wang , Ning Zeng , Hanqin Tian , Nicolas Vuichard, Atul K. Jain, Andy Wiltshire, Vanessa Haverd, Daniel S. Goll, Josep Peñuelas

Wissenschaft 11 Dez 2020 : 1295-1300

Satelliten- und bodengestützte Beobachtungen zeigen, dass Pflanzenwachstumsreaktionen auf erhöhtes atmosphärisches CO2 Niveaus sind gesunken.


Neuere Forschungen zur Biolumineszenz, die die Photosynthese antreiben? - Biologie

Institut für Biochemie und Molekularbiologie
Universität von Georgia, Athen, GA 30602
[email protected]

Beim Thema Biolumineszenz denken die meisten an die kleinen fliegenden Lichter, die an lauen Sommerabenden zwischen Büschen und Bäumen auftauchen. Glühwürmchen kommen in allen Teilen der Welt vor und sind so vertraut, weil sie die gleiche terrestrische Umgebung wie wir bewohnen, aber tatsächlich ist Biolumineszenz an Land relativ selten im Vergleich zu den unzähligen Formen, die im Ozean zu finden sind. Für das Glühwürmchen, das keine Fliege, sondern ein Käfer ist, gibt es jedoch ein bemerkenswertes Phänomen, das vor allem in Südostasien zu einer Touristenattraktion geworden ist. Asien. In der Region des Sengalor-Flusses in Malaysia begegnet der Betrachter dem „Firefly Christmas Tree“ (Abbildung 1). Hunderte von Glühwürmchen können sich auf einem Baum niederlassen und synchron blinken, alle blinken und dann über einen Zeitraum von mehreren Sekunden dunkel werden. Es ist, als ob ihr Blinken von einem einzigen Controller gesteuert wird. Eine zugänglichere Touristenattraktion ist der Great-Smoky-Mountains-Nationalpark im Osten der USA. Dieses Phänomen ist eines von vielen beeindruckenden Beispielen für "Living Light", also von Organismen, die Licht produzieren. (siehe auch Historische Vignette zur Biolumineszenz)

In diesem Modul werden wir kurz die Prozesse untersuchen, die dies erzeugen Biolumineszenz, und die Funktion, die dieses Licht für die Lebewesen erfüllt, die es produzieren, sowie die vielen Anwendungen der Biolumineszenz in der wissenschaftlichen Forschung und im Handel.

Was ist Biolumineszenz?
Biolumineszenz ist definiert als die Emission von Licht von einem lebenden Organismus, der für sein Überleben oder seine Ausbreitung dient. Es ist ein "kaltes" Licht, das aus einem spezifischen biochemischen Mechanismus resultiert, der chemische Prozesse beinhaltet, die oft spezifisch für diesen Organismus sind. Biolumineszierende Organismen kommen hauptsächlich in der Meeresumwelt vor, und Biolumineszenz ist einer der wichtigsten Kommunikationsmechanismen in der Tiefsee (1). Obwohl auf der Erde weniger verbreitet, sind Beobachtungen dort natürlich häufiger.

Biolumineszenz kann man sich als Chemilumineszenz vorstellen, die durch ein Enzym katalysiert wird. Diese Lichtemission eines Organismus muss von anderen Lumineszenzformen unterschieden werden, von denen viele auch eine biologische Funktion haben, Fluoreszenz, Schillern, Beugung usw. (2).

Die breite Verteilung der Biolumineszenz
Biolumineszierende Organismen kommen in der gesamten Biosphäre vor, jedoch nur auf Ebenen unterhalb der Säugetiere und Pflanzen. Das Vorkommen scheint zufällig auf die Gattungen verteilt zu sein und wird manchmal ohne ersichtlichen Grund bei einigen Arten innerhalb einer Gattung gefunden, bei anderen jedoch nicht. Etwa 17 Stämme und mindestens 700 Gattungen enthalten leuchtende Arten. Biolumineszenz wurde bei Kopffüßern, Copepoden, Ostrakoden, Amphipoden, Euphausiden und vielen Fischen, Anneliden und Quallen nachgewiesen, um nur einige Meeresarten zu nennen. An Land gibt es viele Arten biolumineszierender Insekten, Glühwürmchen, Glühwürmchen, Klickkäfer und einige Diptera, und es gibt viele Arten von Leuchtpilzen, die für das Glühen von Holz verantwortlich sind. Die biolumineszenten Bakterien kommen sowohl terrestrisch als auch marin vor. Nur in wenigen Fällen wurden die Biolumineszenzkomponenten der verschiedenen Systeme charakterisiert und die Gesamtchemie etabliert. Viele, wenn nicht sogar die leuchtendsten Organismen in der Tiefsee müssen noch erforscht werden.

In den letzten hundert Jahren haben sich viele Wissenschaftler mit der Sammlung und Klassifizierung von biolumineszenten Organismen beschäftigt. Tatsächlich war Aristoteles (350 v. Als Beispiel beschrieb er die leuchtende Molluske (Abbildung 2), eine römische Delikatesse, deren Biolumineszenzmechanismus noch immer nicht vollständig geklärt ist.

Die Entdeckung biolumineszierender Organismen war das Ziel vieler Expeditionen hochseetüchtiger Forschungsschiffe. Marine-Tauchboote werden auch zur Erforschung der Biolumineszenz in der Tiefsee eingesetzt. Leuchtende Küstenorganismen sind leichter zugänglich und können in der Regel mit kostengünstigen Methoden gesammelt werden.

Anatomische Verteilung
Die Gewebeverteilung der Komponenten des biolumineszenten Systems innerhalb von Organismen ist sehr unterschiedlich. Der anatomische Ort der Biolumineszenz gibt Hinweise auf die Quelle der Komponentensynthese, Lagerung, Transport und die funktionelle Rolle der Lumineszenz. Ein Schlüsselorgan ist das "Photophore" oder das Licht erzeugende Organ, das ganz offensichtlich bei vielen leuchtenden Fischen und sehr lebhaft bei Kopffüßern zu sehen ist. Photophoren bestehen normalerweise aus komplexen photogenen (lichtemittierenden) Zellen.

Biolumineszierende Reaktionskomponenten wurden auch im Magen, in sekretorischen Organen und in der Leber einiger Organismen nachgewiesen (meist als Ergebnis der Synthese oder Lagerung vermutet).

Geografische Verteilung
Biolumineszierende Organismen sind weltweit zu finden, beispielsweise wird die sogenannte "Phosphoreszenz" im Meerwasser in allen Ozeanen beobachtet, besonders dicht in Buchten und Korallenriffen, wo hohe Nährstoffkonzentrationen die Blüte der verantwortlichen Organismen fördern. Ein Ort in Puerto Rico namens Bioluminescent Bay ist bekannt für spektakuläre Darstellungen dieser Dinoflagellaten-Lumineszenz. "Red Tides" sind oft Blüten von leuchtendem Phytoplankton.

Eine große Vielfalt an Glühwürmchenarten findet man in den gemäßigten bis tropischen Regionen Amerikas, in China und Südostasien. Asien. In Nordamerika, Europa und Australasien wurden mehrere Arten von Glühwürmchen identifiziert. Interessanterweise leuchten einige Arten biolumineszierender Organismen an einem Ort und an einem anderen nicht, z. B. der "Midshipman Fish", Porichthys notatus. Es wurde postuliert, dass sich die Lumineszenz einer Population dieser Spezies auf die Verfügbarkeit einer Nahrungsquelle, die für die Lichtreaktion erforderlich ist, in diesem speziellen Gebiet bezieht. In Japan ist der Glühwürmchen-Tintenfisch (Watasenia) zeigt eine spektakuläre Lumineszenz und kommt in großer Zahl an begrenzten Orten vor. Kleine Krustentiere wie Ostrakoden kommen auch in japanischen Küstengewässern in Hülle und Fülle vor.

Wie funktioniert Biolumineszenz? Alle Biolumineszenzreaktionen beinhalten eine Sauerstoffoxidation eines organischen Moleküls (genannt Luciferin). Die Reaktion wird durch ein Enzym namens Luciferase katalysiert und in vielen Fällen wird angenommen, dass die Biolumineszenzintensität die Geschwindigkeit der Enzym-Substrat-Reaktion widerspiegelt, und diese Intensität wird verwendet, um die Kinetik nach dem Michaelis-Menten-Modell zu analysieren (Abbildung 5A). . Es war zunächst ein Rätsel, dass sich herausstellte, dass die Biolumineszenz von Aequorin und später von mehreren anderen ähnlichen Organismen keinen Sauerstoff kinetisch einbezieht, und diese Proteine ​​wurden als "Photoproteine" bezeichnet (Abbildung 5B). Es wurde schließlich festgestellt, dass der Sauerstoff bereits an das Luciferin gebunden hatte, und das Photoprotein könnte daher genauer als Luciferase angesehen werden, die ein stabilisiertes Reaktionszwischenprodukt, ein Peroxy-Luciferin, bindet.

Viele biolumineszierende Reaktionen in vitro benötigen neben Sauerstoff Cofaktoren, z. B. ATP und Mg 2+ für das Glühwürmchen, Ca 2+ für Photoproteine ​​(1, 2, 4). Im Tier selbst (in vivo), gibt es zusätzliche Proteine, die an der Produktion und Regulation beteiligt sind und Sea Pansy Biolumineszenzsysteme. Außerdem gibt es "Antennenproteine", die die Farbe der Biolumineszenz modulieren, das berühmte grün fluoreszierende Protein (GFP) in der Qualle und die Lumazin-Proteinfamilie in einigen Bakterienarten (4). Diese werden in Analogie zu Proteinen mit ähnlicher Funktion in der Photosynthese "Antennenproteine" genannt, nur dass sie in umgekehrtem Sinne wirken.

Bis heute sind fünf verschiedene chemische Klassen von Luciferinen bekannt, nämlich Aldehyde, Benzothiazole, Imidazolopyrazine, Tetrapyrrole und Flavine. Ein Imidazolopyrazin-Derivat, das treffend "Coelenterazin" genannt wird, ist das Luciferin, das in Coelenteraten und vielen anderen marinen Biolumineszenzsystemen vorkommt (5, 6).

Physik: Eigenschaften der Lichtemission
Biolumineszenz resultiert aus einer chemischen Reaktion, die eine große Menge an Energie freisetzt, die, anstatt wie bei einer normalen chemischen Reaktion als Wärme abgeführt zu werden, kanalisiert wird, um das Produktmolekül in seinem angeregten elektronischen Zustand zu bevölkern. Dieser angeregte Zustand ist derselbe, der in diesem Molekül durch die Absorption von Strahlung erzeugt wird, so dass die spektrale Verteilung der Biolumineszenz oft dieselbe ist wie die der Produktfluoreszenz. Die Farbe der Biolumineszenz wird jedoch manchmal durch die Proteinumgebung des angeregten Produktzustands "abgestimmt", eine Eigenschaft, die entwickelt wurde, um der Funktion der Lichtemission zu entsprechen, d. h. zur Kommunikation, Abwehr von Prädation usw.

Sichtbare Strahlung entspricht Licht im Wellenlängenbereich von 400-700 nm (Abbildung 6). Biolumineszenzspektren sind breite Bänder mit Breiten bei halber Höhe um 60-100 nm. Das Biolumineszenzmaximum der meisten marinen Arten liegt im Bereich von 450-510 nm (7), wohingegen terrestrische Organismen überwiegend eine gelbgrüne Biolumineszenzfarbe aufweisen. Im Meerwasser erreicht blaue bis grüne (400-500 nm) Lumineszenz eine maximale Transmission, während terrestrische Arten ihre maximale visuelle Empfindlichkeit für gelbes Licht aufweisen. Entsprechend sind die Sehpigmente der meisten Meeresorganismen im blaugrünen Bereich am empfindlichsten.

Was sind einige der Funktionen der Biolumineszenz?
Aufgrund ihrer Verbreitung spielt die Biolumineszenz eine wichtige Rolle in der Ökologie des Ozeans. Die Funktion der Biolumineszenz in den Ozeanen wird im Zusammenhang mit der im Wesentlichen dunklen Umgebung unterhalb von etwa 200 m besser verstanden. Die Funktionen der Biolumineszenz sind für:
Verteidigung
Fischschwarm
Leuchtender Köder
Fütterung
Kommunikation (im Dunkeln)
Paarung
Tarnung

Auswirkungen von Molekularbiologie und Biolumineszenz
Das Klonen verschiedener Komponenten biolumineszierender Systeme hat große Fortschritte in der biologischen Forschung eingeläutet. Das kalziumabhängige Photoprotein Aequorin aus der Qualle Aequorea victoria wurde 1985 kloniert (8, 9). Da die Intensität seiner Lumineszenz mit der Calciumkonzentration variiert, wurde Aequorin vorteilhaft bei der Überwachung des Zellcalciums verwendet. 1985 wurde Glühwürmchen-Luciferase kloniert (10). Als äußerst empfindliche Methode für den ATP-Assay hat dieses Biolumineszenz-System breite Anwendung gefunden, z. B. zum Nachweis mikrobieller Kontamination in Lebensmitteln, Wassersystemen usw Toxizität. Viele andere Luciferasen wurden kloniert, einschließlich bakterieller Luciferase aus Vibrio harveyi, die Luciferase aus dem Seestiefmütterchen Renilla reniformis (11) und die südamerikanische Klickkäfer-Luciferase (12).


Aktuelle Anwendungen der Biolumineszenz
Das "Green-Fluorescent Protein" oder GFP ist wahrscheinlich das bekannteste Protein der Biologie (Nobelpreis für Chemie, 2008). GFP wurde 1992 kloniert (13) und 1994 in verschiedenen Organismen exprimiert (14). Seitdem ist die Zahl der Literaturzitate auf viele Tausend angestiegen, da die Anwendungen von GFP zugenommen haben. Insbesondere GFP ist mittlerweile als hervorragender Gen-Tag oder Protein-Tag gut etabliert. GFP kann an ein interessierendes Protein fusioniert werden, und die Fluoreszenz (und damit das interessierende Protein) kann innerhalb einer Zelle verfolgt werden, um ihre Lokalisierung und ihr Verhalten zu untersuchen. GFP hat eine hervorragende Strukturstabilität und die Eigenschaft, die Fluoreszenz auszubilden vor Ort ohne die externe Zugabe von Substrat wird GFP ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Untersuchung von Zell- und subzellulären Prozessen (15).

Schnelle und effektive Diagnosetests auf Basis von Biolumineszenz entwickeln sich auf dem Markt ständig weiter. Zum Beispiel verwendet "Microtox" für Wasserqualitäts-/Toxizitätstests die biolumineszenten Meeresbakterien Vibrio Fischeri. Wenn dieser Organismus durch ein Toxin herausgefordert wird, wird der Atmungsweg unterbrochen, was zu einer Abnahme der Biolumineszenz-Intensität führt.

Es gibt einige "lustige" Anwendungen und Ideen, wie die Aussicht auf leuchtende Weihnachtsbäume und Gehwege neben leuchtendem Bier und Champagner. Die Verwendung von Leuchtstäben für Nachtkonzerte und das Führen von Flugzeugen zu Flugsteigpositionen sind nur einige alltägliche Anwendungen dieses weit verbreiteten Phänomens: Lumineszenz.


Fragen, die bleiben
Obwohl Biolumineszenz ein spektakuläres Phänomen in der Biologie mit einer langen Forschungsgeschichte ist, gibt es viele Fragen, die vom biologischen Vorteil der Lichtemission für das Tier bis hin zum molekularen Mechanismus der effizienten Population angeregter Zustände reichen. Einige Fische besitzen einen Photophor, der eine Kultur biolumineszierender Bakterien enthält, und verwenden diese, um Beute anzulocken. Der Glühwürmchenblitz dient der sexuellen Kommunikation, aber warum die Synchronität des Glühwürmchens "Weihnachtsbaum", und was ist der Vorteil der Leuchtkraft für Regenwürmer? Wie entstand die effiziente Erzeugung von biologischem Licht in verschiedenen Organismen und wie ist die Evolutionsgeschichte? Was ist die metabolische oder diätetische Quelle der Luciferine und was sind die Kontrollmechanismen für das Lichtblitzen? Auf molekularer Ebene ist der chemisch-physikalische Weg, der das Reaktionsprodukt im angeregten Zustand erzeugt, ein herausragendes aktuelles Problem. Darüber hinaus stellt die Verschiebung der Biolumineszenzfarbe über die Umgebung der Luciferase-Bindungsstelle, die das Energieniveau des angeregten Zustands stört, oder durch Kopplung an den angeregten Zustand von Antennenproteinen durch einen bestimmten Prozess weiterhin Herausforderungen in der aktuellen Forschung dar (16).


Verweise
1. Haddock, S.H.D., Moline, M.A. und Case, J.F. (2010), Bioluminescence in the Sea. Annu. Rev. Mar. Sci. 2:443–493.

2. Campbell, A.K. (1988). Chemilumineszenz: Prinzipien und Anwendungen in Biologie und Medizin. (VCH/Horwood, Chichester).

3. Harvey, E. N. (1957). Geschichte der Lumineszenz. (American Philosophical Society, Philadelphia).

4. Shimomura, O. (2006). Bioluminescence: Chemical Principles and Methods. (World Scientific, Singapore).

5. Campbell, A. K., and Herring, P. J. (1990). Imidazolopyrazine bioluminescence in copepods and other marine organisms. Mar. Biol. 104: 219-225.

6. Thomson, C.M., Herring P.J., and Campbell, A. K. (1997). The widespread occurrence and tissue distribution of the imidazolopyrazine luciferins. J. Biolumin. Chemilumin. 12(2): 87-91.

7. Herring, P.J. (1983). The spectral characteristics of luminous marine organisms. Proz. Roy. Soz. Lange. B. 220: 183-217.

8. Inouye, S., Noguchi, M., Sakaki, Y., Takagi, Y., Miyata, T., Iwanaga, S., Miyata, T., and Tsuji, F.I. (1985). Cloning and sequence analysis of cDNA for the luminescent protein aequorin. Proz. Natl. Akad. Wissenschaft VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA. 82: 3154-3158.

9. Prasher, D., McCann, R.O., and Cormier, M.J. (1985). Cloning and expression of the cDNA coding for aequorin, a bioluminescent calcium-binding protein. Biochem. Biophys. Res. Komm. 126:1259-1268.

10. De Wet, J. R., Wood, K. V., Helsinki, D. R., and DeLuca, M. (1985). Cloning of firefly luciferase cDNA and the expression of active luciferase in Escherichia coli. Proz. Natl. Akad. Wissenschaft VEREINIGTE STAATEN VON AMERIKA. 82:7870-7873.


Glow-in-the-dark corals light up the deep sea

Ever since their first dives in Monterey Canyon 30 years ago, MBARI researchers have marveled at the beauty and diversity of deep-sea corals. A new research paper shows that some of the most common and iconic deep-sea corals can create their own light. Some can even release glowing slime.

Most deep-sea corals are part of a group of animals called octocorals, which includes sea pens and bamboo corals. The familiar stony corals found on shallow tropical reefs are in a separate group (hexacorals), and do not generally make their own light.

Prior to this study, marine biologists already knew that some octocorals exhibited bioluminescence (the ability to make their own light). But this study suggests that octocorals evolved the ability to glow very early in their evolutionary history.

When disturbed, colonies of the bamboo coral Isidella tentaculum glow in the dark. Image: © 2020 MBARI

The poster child for glowing octocorals is the sea pansy, a shallow-water sea pen in the genus Renilla. Genes from this animal are commonly used to create a compound called “green fluorescent protein” (GFP) that has many uses in biomedical research. Scientists have spent a lot of time analyzing the genes and proteins that Renilla uses to create light, including a key enzyme known as luciferase. But they know relatively little about the biochemistry of other glowing octocorals, especially those that live in the deep sea.

As part of an ongoing effort to understand the evolution of bioluminescence, MBARI Senior Scientist Steve Haddock and postdoctoral fellow Manabu Bessho-Uehara (now at Nagoya University in Japan) videotaped and collected specimens of nine different deep-sea corals and sea pens and found that all were able to make their own light.

Haddock and Bessho-Uehara wanted to find out if different groups of deep-sea corals used similar biochemical processes as Renilla to make light, or if they had evolved different processes. Their first step was to figure out which deep-sea corals were bioluminescent.


This video summarizes MBARI’s research on glowing deep-sea corals

The researchers worked with ROV Pilot Ben Erwin and Engineer Dave French to outfit MBARI’s remotely operated vehicle (ROV) Doc Ricketts with an extremely light-sensitive video camera that the scientists typically only use in the lab. Then the team sent the ROV down to the seafloor to look for glowing animals. Since many animals only glow when disturbed, the researchers videotaped corals while gently touching or shaking them using the manipulator arm on the ROV.

Using the ROV, the scientists carefully collected pieces of each type of coral and brought them back to the surface alive. Then they videotaped the animals in a darkened cold room on board the research vessel Western Flyer. The scientists tested each animal’s ability to glow by physically touching it, and measured the wavelengths (colors) of the light produced. Working with Warren Francis (now a postdoctoral fellow at the University of Southern Denmark), the researchers also analyzed the animals’ DNA to look for genes that might be used to create these glowing chemicals.

Glowing corals everywhere

The researchers were surprised to discover that all of the corals they collected were able to make their own light. They also discovered several groups of corals not previously known to glow.

The researchers collected and studied five different types of sea pens, all of which produced bioluminescence. One sea pen in the genus Funiculina emitted blue light when the stalk or polyps were disturbed. The four other sea pens produced green light at wavelengths that suggested they were using green fluorescent protein. The sea pen Distichoptilum gracile not only produced waves of bright green light, but also released a glowing green slime.

Sea pens in the genus Halipteris often grow in groups on the muddy seafloor. Image: © 2003 MBARI

Using an extremely light-sentive video camera, MBARI researchers were able to capture sea pens emitting waves of bioluminescent light. Image: © 2020 MBARI

Another sea pen in the genus Kophobelemnon had distinct glowing green spots between its tentacles. This is the first species in this genus known to glow. Living at a depth of almost 4,000 meters, it may be the deepest animal known to use green fluorescent protein to change the color of its bioluminescence.

The researchers also discovered that one of the largest and most iconic deep-sea corals, the bubblegum coral Paragorgia arborea, produces blue light when disturbed. This is the first time any coral in the large group known as Scleraxonia has been shown to glow.

Several bamboo corals also glowed blue when disturbed. A bamboo coral in the genus Lepidisis exhibited brilliant waves of blue light that moved along the stem of the colony. The bamboo coral Isidella tentaculum also glowed blue, and released a glowing slime when strongly disturbed.

In addition to the deep-sea corals, the researchers also examined a flytrap anemone—a bright orange deep-sea anemone that grows to nearly a foot across. They discovered that this animal can emit a cloud of brightly glowing blue slime from its mouth (located in the center of its circular body).

How corals make light

Most glowing animals produce light by combining two different types of proteins, luciferin and luciferase. Many of the deep-sea corals examined in this study contained a type of luciferin called coelenterazine, and they all contained a form of luciferase that reacts with coelenterazine (and oxygen) to produce blue light.

Illuminated by the lights of the ROV, bamboo corals in the genus Lepidisis typically appear pale in color. Image: © 2014 MBARI

Like many deep-sea corals, this bamboo coral in the genus Lepidisis emits waves of blue light when disturbed. Image: © 2020 MBARI.

Although coelenterazine produces blue light, many of the sea pens described in this study give off a greenish glow. This is because the bodies of sea pens also contain green fluorescent protein (GFP) similar to that found in Renilla sea pansies. GFP absorbs the blue light produced by the luciferin-luciferase reaction and re-emits it as green light (analogous to how the ink on a black-light poster absorbs ultraviolet light and re-emits it as visible light). GFP is found in a number of corals and jellies of various kinds, which suggests the compound evolved a very long time ago.

Because all the octocorals studied use similar chemistry (coelenterazine and Renilla-type luciferase) to produce light, the researchers suggest that this large group may have evolved from a common glowing ancestor, 400 to 500 million years ago. As Bessho-Uehara put it, “This finding makes me imagine a deep-sea area in an ancestral ocean where any octocoral you touched would emit light.”

The flytrap anemone appears to produce light using a different type of luciferase, and probably evolved its blue glowing slime independently of the octocorals. However, this anemone does use coelenterazine to react with its luciferase, as do all the other glowing corals and jellies known.

The authors of the recent paper can’t say exactly why corals evolved the ability to glow, but they have some hypotheses.

Several sea pens and corals emit waves of glowing light that travel across their bodies, as do some brittle stars, sea cucumbers, and even comb jellies. The researchers suggest that these waves of glowing light could confuse potential predators or attract larger animals that might eat the animal trying to eat the coral. Marine biologists call this the “burglar alarm effect.”

Several corals and the flytrap anemone documented in this study released glowing slime, a trait shared by many other deep-sea animals, including comb jellies, medusae (jellyfish), midwater worms, and the vampire squid. The researchers suspect that such slime might stick to the body of a potential predator, once again making it vulnerable to attack from larger animals.

Under normal ROV lighting, flytrap anemones look ferocious. Image: © 2002 MBARI/NOAA

Flytrap anemones may discourage predators by releasing glowing slime when disturbed. Image: © 2020 MBARI

The scientists are still trying to understand why some corals evolved to glow blue while others use GFP to make green light instead. Of the animals examined in this study, the ones that glowed blue lived in shallower water (1,200 meters), while those that glowed green (using GFP) lived in relatively deep water (3,200 meters).

Implications for science and industry

This paper shows that many deep-sea corals can produce their own light, and suggests that they inherited this ability from a common ancestor. However scientists are still working out the complex evolutionary history and relationships among corals, as well as the genes involved in making light. As Bessho-Uehara put it, “One of the next questions we would like to answer is why so many octocorals are nicht luminous, if their ancestor was luminous.”

Bessho-Uehara continued, “There could be a lot of bioluminescent corals in the deep-sea that we haven’t discovered yet. This study shows how important bioluminescence is to many deep-sea animals. It also suggests that activities such as deep-sea mining, which reduce visibility near the seafloor, could affect deep-sea ecosystems in ways we might not expect.”

The research could also have commercial applications. It sets the stage for genomic and biochemical studies that could reveal the details how the different coral bioluminescent systems work. This, in turn, could help scientists isolate new glowing compounds—like GFP—for use in the life sciences.

As Bessho-Uehara noted, “Renilla luciferase is the only type of luciferase from corals and their relatives that is well-characterized. But we described other types of luciferase from a variety of species, some of which showed unique behaviors. For example, the luciferase of one sea pen we studied is sensitive to calcium ions, which are involved in nearly every aspect of cellular biology.”

Reflecting on the work, Haddock said, “No matter what branch of the tree of life we explore, we find fascinating patterns in the evolution of bioluminescence, and surprising variations in the genes and chemicals that animals use to make light. We also find more evidence that bioluminescence is truly a key means of communication for many marine animals.”


Industrial application of light-driven nanomaterial

Ahmad Nawaz , . Pichiah Saravanan , in Industrial Applications of Nanomaterials , 2019

2.3 Artificial photosynthesis

Artificial photosynthesis is referred as “a mimic of photosynthesis process” that harvest natural sunlight and in turn convert the CO 2 into fuels like hydrogen and carbon based. The hydrogen is produced from water splitting while carbon-based fuels like methanol, methane, or CO are usually produced from the reduction of CO2 in the presence of water. Since hydrogen production will be discussed as separate section, this section will focus on the reduction of CO2 to solar fuels and their application in other industries.

Photocatalyst, a light-driven material is widely used to realize the photocatalytic conversion of CO2 under sunlight irradiation. Das CO2 conversion using photocatalyst was achieved through many means and some includes: CO2-saturated aqueous solution containing suspended TiO2 [38,39] , high-pressure CO2 system with TiO2 powders suspended in isopropyl alcohol [40] , and humidified gas-phase CO2 [41] . Among these, the gas-phase conversion overwhelms the rest owing to its strong commercial ability, that is, zero recovery of catalyst from aqueous phase and overcome the low solubility of CO2. As like artificial photosynthesis, this process reduces CO2 through the photoexcited electrons (e − ) in the presence of water (H2O) to yield energy-bearing products such as methane (CH4), Methanol (CH3OH), formaldehyde (HCHO), formic acid (HCOOH), etc. [39] . Fig. 7 shows the overview on the potential industrial applications of these obtained solar fuels [42] .

Fig. 7 . Schematic representation of a carbon zero route to solar fuels and renewable olefins through the photocatalytic reduction of CO2.

Adapted from D. Chen, X. Zhang, A.F. Lee, Synthetic strategies to nanostructured photocatalysts for CO2 reduction to solar fuels and chemicals, J. Mater. Chem.-Nr. A, 3(28) (2015), 14487–14516.

However, the primary and foremost challenge is the lack of active and stable multifunctional catalysts that can efficiently harvest abundant solar energy. On the other hand, interfacial charge separation and CO2 activation to facilitate proton-coupled electron transfer for the generation of fuels is also a part of this challenge. Further the conversion is uphill reaction processes (Δg > 0) which require high energy input due to its ultrahigh stability [43, 44] . Although the existing technology of CO2 conversion is far from practicability, numerous researches have been conducted to address the challenges in realizing this process for industrial application. Most of the reports focused on the development of novel photocatalyst are efficient in capturing and channeling sunlight. Numerous approaches like low dimension, porous structured, layered structured, hierarchical ordered, or hybrid-structured photocatalysts have been developed to improve the performance of CO2 reduction [47–52] . In addition, the concept of employing cocatalysts and plasmonic photocatalysts has been reported in the recent years [42] . Fig. 8 shows a typical experimental arrangement for CO2 reduction.

Fig. 8 . Typical experimental arrangement of CO2 reduction.

Adapted and reproduced with permission from Y.Y. Lee, H. S. Jung, J.M. Kim, Y.T. Kang, Photocatalytic CO2 conversion on highly ordered mesoporous materials: comparisons of metal oxides and compound semiconductors, Appl. Catal. B Environ. 224 (2018), 594–601.

The catalytic system employed includes highly ordered mesoporous materials (SnO2 and TiO2) with 3D pore system embedded with either of this CdS, CdSe, ZnS, or ZnSe [45] . Among them, ZnS embodiment showed the highest yield rate for CH4 (3.620 μmol gcat − 1 h − 1 ) while the CdSe showed for CO (5.884 μmol gcat − 1 h − 1 ).

Li and coworkers in 2016 proposed a dual-chamber reactor configuration separated by two-side Cu2O/graphene/TNA photocatalyst along with proton exchange membrane [46] . The graphical illustration of the reactor assembly carrying the photocatalyst and membrane is shown in Fig. 9 .

Abb. 9 . Illustration of distinct CO2 photoreduction reaction system proposed by Li and coworkers.

Adapted and reproduced with permission from F. Li, L. Zhang, J. Tong, Y. Liu, S. Xu, Y. Cao, S. Cao, Photocatalytic CO2 conversion to methanol by Cu2O/graphene/TNA heterostructure catalyst in a visible-light-driven dual-chamber reactor, Nano Energy, 27 (2016), 320–329.

The main attribute of such distinct reactor design is to facilitate the simultaneous occurrence of water oxidation (photocatalyst side exposed to light) and CO2 reduction (unexposed side of photocatalyst). Such reaction system successfully suppressed charge recombination and backward reactions, thus leading to high selectivity toward CO2 reduction. Key reports describing the performance of photoactive nanomaterials on CO2 reduction is summarized in Table 1 .

Tabelle 1 . Performance of photoactive nanomaterial on CO2 die Ermäßigung

Light-driven materialsReaktantenLight sourceHighest yield/materialReferenz
5-nm thick carbon-coated (In2Ö3) nanobeltsCO2, H2ÖSonnenlicht126.6 μmol h − 1 (CO)
27.9 μmol h − 1 (CH4)
[47]
Mesoporous SnO2, TiO2, CdS, CdSe, ZnS, and ZnSeCO2, H2Ö300-W Xe lamp3.62 μmol g cat − 1 h − 1 (CH4)/ZnS
5.884 μmol g cat − 1 h − 1 (CO)/CdSe
[45]
Spongy Ni-organic2.5 mmol of Ru(bpy)3Cl2·6H2O + 2 mL of TEOA + 10 mL of acetonitrile/H2O solvent mixture (CH3CN/H2O = 8:2)300-W Xe lamp1.6 × 10 4 mmol h − 1 g − 1 (CO) [48]
Cu-Pt-TiO2CO2, H2Ö300 W Hg lamp66 μmol g − 1 h − 1 (H2)/Pt-TiO2
8.3 μmol g − 1 h − 1 (CO)/Cu-Pt-TiO2 (5 h)
33 μmol g − 1 h − 1 (CO)/Cu-Pt-TiO2 (5h)
[49]
BiVO4/RGOCO2, NaOH500-W Xe lamp15.4 μmol g cat − 1 (CH3CH2OH) [50]
Cu-Pt/PMTNTs (periodically modulated double-walled TNTs)CO2, H2ÖSunlight (AM 1.5)3.55 mL g − 1 h − 1 (CH4) [51]
Cu2O/graphene/TiO2 nanotube arrayCO2 + H2O + 100 mL of 1 M Na2SO4 and 1 M NaHCO3300-W Xe arc lamp45 μmol cm − 2 h − 1 (CH3OH) [52]
TiO2/rGOCO2, H2Ö15-W light bulb0.135 μmol g cat − 1 h − 1 (CH4) [53]
Cu2O/rGOCO2, H2O, Sodium Sulfite150-W Xe lamp1000 ppm/g (CO) [54]
g-C3n4/CNTCO2, H2Ö500-W Xe arc lamp25.1 μmol g − 1 cat (CO)
14.7 μmol g − 1 cat (CH4)
[55]
g-C3n4/TiO2CO2, H2Ö300-W xe lamp14.73 μmol (CO) [56]
CoP/CNT and CoP/rGORu(bpy)3Cl2, TEOA/CH3CN/H2O, CO2Visible light39510 μmol h − 1 g − 1 (CO, CoP/CNT)
47,330 μmol h − 1 g − 1 (CO, CoP/rGO)
[57]

Despite of the scientific and technological capability, identification of inexpensive catalysts and optimizing artificial photosynthesis process still remain as bottleneck for industrial applications. The most promising Pt and Au-based photocatalysts employs H2PtCl6 and HAuCl4 as precursors that priced at

$10,000 per kg. These photocatalysts require high turnover numbers per metal atom (> 3000) in order to recover the initial cost [42] . Further, most of the photocatalytic reduction of CO2 occurred in the presence of sacrificial reagent solutions, which is less efficient and toxic [52] . Hence, scale-up, operational cost, and eco-friendliness are the additional concerns for industrial applications.


DOE renews funding for photosynthesis research at MSU

The U.S. Department of Energy has awarded the Michigan State University-DOE Plant Research Laboratory (PRL) an $11.25 million DOE Office of Basic Energy Sciences competitive renewal grant to continue its innovative photosynthesis research.

The three-year grant (2020-2023) will allow PRL scientists to continue investigating how photosynthetic organisms work on the molecular level with an eye toward developing new technologies that improve human lives, particularly in the areas of bioenergy, industry and medicine.

"The PRL has a long and distinguished history at MSU,&rdquo said Stephen Hsu, senior vice president for research and innovation at MSU. &ldquoContinued investment in fundamental and applied research related to photosynthesis will yield important benefits in decades to come."

Photosynthesis is a biological process that uses &lsquobasic&rsquo ingredients &mdashcarbon dioxide, water and sunlight &mdash to sustainably make food, fuel and chemicals that power life on Earth.

A team of 11 PRL faculty members will lead a group of exceptional postdocs, students and technicians as they explore the fundamental ways photosynthetic organisms capture sunlight to then convert and store it as usable energy. This talent pool represents a wide range of expertise in molecular, synthetic and cell biology, biophysics, biochemistry, plant and microbial physiology, genomics and genetics.

&ldquoOne of the most gratifying aspects of the newly funded work at the PRL is that it is made possible by bringing together a highly diverse group of scientists with complementary expertise,&rdquo said Christoph Benning, PRL director and principal investigator on the grant. &ldquoThis range of talents gives us a chance to tackle some of the most fundamental biological questions related to photosynthesis.&rdquo

With the support provided in this new phase of funding, PRL scientists will study photosynthetic processes across various scales that range from basic enzymes and reactions, to how photosynthesis integrates into their host organisms, to how these organisms interact with the environment. The group will also apply biological engineering techniques to improve photosynthetic productivity.

More specifically, the grant covers three areas:

  • Understanding how photosynthesis works in the &lsquoreal world&rsquo: Natural environments are unpredictable. Light conditions can change in fractions of a second temperature extremes are common. Photosynthetic productivity (and by extension, crop yield) is limited by these challenges in ways that we do not fully understand.
  • Understanding how organisms integrate the energy harvested from photosynthesis: Photosynthetic organisms must balance energy supply with metabolic needs such as plant leaf growth or algal reproduction. Maintaining balance is crucial to build healthy organisms and to avoid negative reactions.
  • Using synthetic biology to understand cyanobacterial photosynthesis: Cyanobacteria are some of the most successful photosynthetic organisms. The team will use engineering principles to explore the basis of their success and to harvest cyanobacterial parts to build new technologies. These advances could benefit such fields as medicine, bioenergy and industry.

Over the past decade, the PRL &ndash supported by DOE-BES, MSU and MSU AgBioResearch &ndash has developed new technologies to reposition itself as a leading center for photosynthesis research. The next grant cycle will rely on these tools, which include:

  • Growth chambers that recreate external environmental conditions in the lab and quantify measurable signals produced by plant photosynthetic processes
  • Hand-held devices that can measure plant photosynthesis and health parameters in the field
  • Reactors that enable scientists to study algae in the same conditions found in outdoor ponds, but in the confines of the lab
  • New methods to analyze and model plant metabolism and strategies to divert metabolism into useful products
  • New tools to engineer cyanobacteria and plants, including devices for introducing custom biochemical reactions inside subcellular compartments that can be powered by photosynthesis

&ldquoAdvances in basic science will benefit the wider scientific community and align with the long-term mission of DOE-BES,&rdquo said Benning, who is also a University Distinguished Professor and MSU Foundation Professor of biochemistry and molecular biology in the College of Natural Science. &ldquoWe will encounter some difficult scientific problems. However, our synergistic approach and collaborations with MSU's vibrant plant science community will be key to our success. We are bringing together scientists from various backgrounds to enable discoveries that would not be otherwise possible.&rdquo


Schau das Video: Wie funktioniert die Photosynthese - REMAKE! (Januar 2022).