Mezinárodnímu týmu v čele s českými mikrobiology se podařilo popsat unikátní aparát, jimiž zvláštní bakterie z jezera v poušti Gobi zachytávají sluneční světlo. Výzkum naznačil, jak se tento aparát v průběhu miliard let vývoje utvořil. Objev může přinést zásadní posun pro využití fotosyntézy pro mikroorganismy, které sluneční záření neumějí zpracovat.
Bakterie, náležící do téměř neznámého rodu Gemmatimonas, objevili v roce 2014 vědci z Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni. Nalezli je v jezeře Tiān é hú (Labutí jezero) v severočínském Vnitřním Mongolsku v poušti Gobi. Na rozdíl od svých příbuzných obsahovaly modrozelené barvivo bakteriochlorofyl, což naznačovalo, že jsou schopné využívat ke svému životu sluneční světlo.
Ještě zajímavější byl fakt, že rod Gemmatimonas původně schopnost fotosyntézy vůbec neměl a všechny potřebné geny získal od cizích, nepříbuzných kmenů bakterií takzvaným horizontálním přenosem. Tato skutečnost může nalézt praktické využití v tzv. syntetické biologii. Pokud by se podařilo zopakovat přenos fotosyntetických genů v laboratoři, bylo by možné naučit využívat energii světla i další organismy.
Týmu složenému z výzkumníků z Mikrobiologického ústavu AV ČR, Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, Univerzity v Shefieldu, společnosti ThermoFisher Scientific z Cambridge a dalších zahraničních pracovišť se nyní podařilo popsat, jak je fotosyntetický aparát těchto nezvyklých bakterií sestaven. Výsledky výzkumu uveřejnil prestižní časopis Science Advances.
Umělecké ztvárnění fotosyntetického aparátu bakterie Gemmatimonas se objevilo na titulní stránce posledního čísla časopisu Science Advances
Rozlišení na jednotlivé molekuly
K výzkumu vědci využili moderní techniku elektronové kryomikroskopie, při níž je vzorek extrémně rychle ochlazen na teplotu minus 200 oC. Kolem biologických struktur se vytvoří sklu podobná vrstvička ledu o tloušťce tisíckrát menší, než je lidský vlas. „Zmražení je tak rychlé, že veškeré struktury zůstanou nepoškozené, a navíc je možné s nimi pracovat až několik hodin. To umožní rozlišit dokonce až jednotlivé molekuly i ve velmi komplikovaných biologických strukturách,“ říká Michal Koblížek z Mikrobiologického ústavu AV ČR.
Fotosyntetický aparát bakterií je zcela unikátní. Sestává z více než 80 bílkovinných podjednotek uspořádaných do dvou kruhů obklopujících centrální část. Na každou podjednotku jsou navázána barviva, jež zachycují světlo. „Když jsme s kolegou Qianem z Cambridge uviděli první obrázky z elektronového mikroskopu, nevěřili jsme vlastním očím. Ta struktura je velice elegantní, skutečné mistrovské dílo přírody,“ dodává Michal Koblížek.
Mistrovské dílo přírody
Uspořádání pigmentů do dvou kruhů je nejenom krásné, ale také velice účinné. Pro světlo funguje jako nálevka. „Světelná energie zachycená na okraji nálevky (vnější kruh) se za pouhých pár biliontin sekundy přenese do jejího středu, kde se v tzv. reakčním centru přemění na energii metabolickou,“ vysvětluje Tomáš Polívka z Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. Obrázek fotosyntetického aparátu zaujal i redaktory časopisu Science Advances, kteří jej zveřejnili na obálce posledního čísla časopisu.
Fotosyntéza je jedním ze základních biologických procesů na naší planetě. Buňky zachycují sluneční záření a přeměňují ho na energii pro svůj metabolismus. Fotosyntézu máme dnes spojenou především se zelenými rostlinami, které vytvářejí kyslík, ale první jednoduché organismy schopné využít sluneční záření se na Zemi objevily již před třemi miliardami let.
Mikrobiologický ústav AV ČR – Centrum Algatech je detašované pracoviště v Třeboni, které se již od roku 1960 zabývá studiem fototrofních organismů, tedy takových, které využívají ke svému životu světelnou energii. Výzkumníci se zde zabývají jak základním výzkumem (biochemií, molekulární genetikou fotosyntézy), tak aplikovaným výzkumem mikrořas, sinic a fototrofních bakterií. Tento výzkum byl podpořen z programu EXPRO Grantové agentury České republiky.
doc. Michal Koblížek, MBÚ, AV ČR – Centrum Algatech
Odkaz na pubikaci:
Qian P, Gardiner AT, Šímová I, Naydenova K, Croll TI, Jackson PJ, Nupur, Kloz M, Čubáková P, Kuzma M, Zeng Y, Castro-Hartmann P, van Knippenberg B, Goldie KN, Kaftan D, Hrouzek P, Hájek J, Agirre J, Siebert CA, Bína D, Sader K, Stahlberg H, Sobotka R, Russo CJ, Polívka T, Hunter CN, Koblížek M (2022) 2.4-Å structure of the double-ring Gemmatimonas phototrophica photosystem. Science Advances 8(7):eabk3139
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3139
Autor: Richard Lhotský, Ph.D.
Rozhodnutí o financování návrhů projektů podaných do společné výzvy Grantové agentury České republiky (GA ČR) a německé agentury Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) v roce 2021 bude ze strany DFG učiněno později, než bylo plánováno. Oznámení výsledků proběhne pravděpodobně v květnu letošního roku. GA ČR, která hodnotila návrhy projektů, předala výsledky svého hodnocení DFG v plánovaném termínu.
Financování vybraných projektů je závislé nejen na jejich hodnocení na straně GA ČR, ale také na možnostech partnerské organizace. Navrhovatelé, kteří čekají na výsledky této výzvy, mohou podat návrh projektu také do výzvy, která byla vyhlášena 15. února 2022, a v případě financování původního projektu mohou nově podaný návrh projektu stáhnout.
Jako vynikající byl Grantovou agenturou České republiky ohodnocen výzkum zabývající se vývojem termoelektrických materiálů s vysokou účinností a zejména studiem jejich dlouhodobé provozní stability. V rámci tříletého projektu na tématu pracoval tým vědců z Masarykovy univerzity (CEITEC) pod vedením řešitele docenta Pavla Brože a tým vědců z Ústavu fyziky materiálů Akademie věd České republiky pod vedením spoluřešitele doktora Jiřího Buršíka, ve spolupráci s kolegy z univerzity ve Vídni.
Termoelektrické (TE) materiály jsou schopny přeměnit tepelnou energii na energii elektrickou (Seebeckův jev) a opačně energii elektrickou na energii tepelnou (Peltierův jev). Míra této konverze je hodnocena termoelektrickou účinností a závisí nejen na složení materiálu a jeho krystalovém uspořádání, ale také na jeho mikrostruktuře, která je dána přípravou. Stále málo studovanou oblastí je tepelná a fázová stabilita těchto materiálů, která je nutnou podmínkou pro zajištění dlouhodobé provozuschopnosti za zvýšených teplot.
Vysoký aplikační potenciál termoelektrik je zřejmý. Globálním problémem posledních desetiletí se stává rostoucí znečišťování životního prostředí, na kterém se výraznou mírou podílí energetický, automobilový, chemický průmysl a další průmyslové oblasti. Jedním z východisek je využití tepla produkovaného během různých tepelných procesů (odpadní teplo) a jeho přeměna na užitečnou práci. Již dlouhou dobu se využívají např. výměníky tepla. Odpadní teplo je ale také možné přeměnit přímo na elektrickou energii právě prostřednictvím TE materiálů. Seebeckův jev (objeven v roce 1821) je již využíván např. u automobilů v místech, kde dochází k výraznému ohřevu (motor, výfukové potrubí), k alespoň částečnému zpětnému získání užitečné energie elektrické. Tento děj umožňuje také fungování vesmírných sond v prostoru vzdáleném od zdroje sluneční energie, kde již není možné využít solární panely. Teplo z jaderného reaktoru v sondě zahřívá TE modul, který pak sondě dodává elektrickou energii. Termoelektrické materiály pracují ale také opačným směrem. Peltierův jev (objeven v roce 1835) je běžně využíván v malých chladicích zařízeních. Výhoda těchto chladících zařízení oproti běžným chladničkám spočívá v absenci jakýchkoliv mechanických částí. „Sami vidíme, jak z našich elektronových mikroskopů postupně mizí objemné nádoby s kapalným dusíkem pro chlazení analytických zařízení a jsou nahrazovány nenápadnými Peltierovými články bez nároků na údržbu,“ říkají řešitelé projektu.
Nevýhodou současných TE materiálů je zatím jejich stále omezená účinnost, která nepřesahuje 20 %. Potenciál materiálu pro termoelektrické aplikace je určen faktorem ZT, který zahrnuje Seebeckův koeficient (poměr napětí a teplotního rozdílu), elektrickou a tepelnou vodivost. Příprava materiálů s vysokou hodnotou ZT, která je nejen záležitostí dané struktury materiálu, ale také způsobu jeho přípravy (kompaktní nebo nanostrukturovaná forma, existence vnitřních poruch atd.), je ale pouze prvním krokem na cestě k výrobě a použití technicky využitelných materiálů. Druhým krokem je příprava materiálů, které jsou při provozních teplotách dlouhodobě strukturně stabilní.
Cílem řešeného projektu bylo studium dlouhodobé teplotní a strukturní stability dvou kategorií pokročilých termoelektrických materiálů, připravených a fyzikálně charakterizovaných na spolupracujícím pracovišti na univerzitě ve Vídni ve skupině prof. Rogla a Bauera: (i) skuteruditů na bázi kobaltu a antimonu, dopovaných železem a didymiem (směs neodymu a praseodymu) – polovodič typu p, dopovaných baryem, stronciem a yterbiem – polovodič typu n a (ii) tzv. half – Heuslerových slitin na bázi železa a antimonu, dopovaných titanem a niobem. Na základě předchozích orientačních měření se ukázalo být pro tento výzkum efektivní spojení termické analýzy a Knudsenovy efúzní hmotnostní spektrometrie. Zatímco první metoda poskytuje především informace o fázových přeměnách v materiálu, druhá metoda umožňuje sledování odpařovací charakteristiky těkavých prvků (především hojně zastoupeného antimonu) v materiálu za velmi nízkých tlaků a tím kinetiky tohoto procesu, který je zodpovědný za destabilizaci primární struktury a ztrátu termoelektrických vlastností. Knudsenova efúzní metoda je založena na sledování efúze složek zkoumané soustavy z Knudsenovy komůrky přes malý efúzní otvor v jejím víčku do vakua (Knudsen, rok 1909). Efektivní detekční metodou je pak hmotnostní spektrometrie, kdy po ionizaci zplyněných složek dochází k jejich detekci a stanovení tlaku par složek a jejich časovému úbytku. Výhodou této techniky je sledování dějů in situ, tzn. informace získatelné v každém časovém okamžiku bez nutnosti přerušení měření. Laboratoř termické analýzy a Knudsenovy efúzní hmotnostní spektrometrie, kde byla měření prováděna, je jediným pracovištěm u nás, využívajícím tuto efúzní techniku. Primární struktura a výsledná struktura po měření těmito metodami byla zkoumána metodami analytické elektronové mikroskopie. Výsledky měření byly konfrontovány s dostupnými informacemi o fázových diagramech zkoumaných soustav a motivovaly naše týmy k prošetření situace nebo zpřesnění údajů ve fázových diagramech, kde informace chyběly.
Tým z Masarykovy univerzity (vpravo doc. Pavel Brož, další prof. Jan Vřešťál, prof. Jiří Sopoušek, doc. Jana Pavlů a Mgr. František Zelenka)
U všech zkoumaných materiálů byla prokázána jejich dostatečná dlouhodobá tepelná a fázová stabilita, přičemž bylo zjištěno, že nejstabilnějšími materiály jsou half-Heuslerovy slitiny a nejméně stabilními skuterudity typu p. Ukázalo se, že tyto závěry jsou v dobré relaci s teplotní stabilitou příslušných primárních termoelektrických fází. Rozkladná teplota studovaných half-Heuslerových fází je ze zkoumaných fází nejvyšší, zatímco fáze skuteruditu se železem a didymiem nejnižší. Důležitým výsledkem projektu je vypracovaná metodika pro posouzení dlouhodobé tepelné a fázové stability materiálů a jejich potenciálního využití v technické praxi. Ať se již jedná o termoelektrické materiály, na které byl projekt zaměřen, nebo obecně o další druhy materiálů. Ukázali jsme také, že nanostrukturování materiálu vyvolané intenzívní plastickou deformací zvyšuje faktor ZT zvláště u optimálně dopovaných materiálů a popsali mikrostrukturní mechanismy tohoto jevu. Výstupem projektu, na kterém se podílelo také několik studentů z Masarykovy univerzity, bylo třináct publikací v prestižních odborných recenzovaných zahraničních časopisech.
Tým z Ústavu fyziky materiálů (zprava dr. Jiří Buršík, Ing. Ivana Podstranská, dr. Aleš Kroupa, dr. Milan Svoboda a Ing. Adéla Zemanová)
Doc. RNDr. Pavel Brož, Ph.D. je vedoucím Laboratoře termické analýzy a Knudsenovy efúzní hmotnostní spektrometrie na Ústavu chemie, Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně, pracoviště, které bylo v několika předchozích letech také součástí Středoevropského technologického institutu (CEITEC) na Masarykově univerzitě. Jeho oborem je fyzikální chemie, které se věnuje od svého vysokoškolského studia, a materiálová chemie. Kromě výukových aktivit se specializuje na oblast termodynamiky, kinetiky fázových přeměn, fázových rovnovah, termické analýzy, Knudsenovy efúze a hmotnostní spektrometrie. Zabývá se výzkumem v oblasti žárupevných slitin, niklových a hliníkových superslitin, bezolovnatých pájek, nanočástic kovů a slitin a v poslední době také termoelektrických materiálů a slitin, které tvoří součást termoelektrických jednotek. Toto zaměření se promítá do odborného vedení studentů. Kromě zahraničních kontaktů, získaných v rámci mezinárodních projektů COST, je nejaktivnější jeho spolupráce s výzkumnou skupinou prof. Rogla a Bauera z univerzity ve Vídni. Aktivně se také věnuje koordinování studentských zahraničních pobytů.
RNDr. Jiří Buršík, DSc. je vedoucí vědecký pracovník v Ústavu fyziky materiálů Akademie věd České republiky. Zabýval se postupně mikrostrukturou a vlastnostmi řady materiálů: žárupevných ocelí, niklových slitin a superslitin, hořčíkových slitin, bezolovnatých pájek, uhlíkových nanotrubek, nanočástic kovů a slitin, kvazikrystalů, materiálů pro fotoniku a optoelektroniku, magnetických Heuslerových fází, v poslední době termoelektrických materiálů ze skupiny skuteruditů a half-Heuslerových fází. Z experimentálních metod spojuje většinu jeho prací použití analytické elektronové mikroskopie, vysokorozlišovací transmisní elektronové mikroskopie a elektronové difrakce. O elektronové mikroskopii přednáší na Masarykově univerzitě.
Autorství článku: Pavel Brož (MUNI)
