„Ако је најбољи извор енергије онај који је присутан у изобиљу, јефтин и чист, онда су биљке много паметније од људи“.

Увек сам се питала зашто биљке могу саме себи да створе храну од сунца, воде и ваздуха док ми морамо да једемо друго биће? Било би супер да просто узмем хлоропласте биљака (органеле биљака у којима се одвија фотосинтеза) и решим целу ствар, али није тако једноставно. Ипак, научници не одустају од идеје да и ми користимо сунчеву светлост као главни извор енергије за синтезу потребних органских једињења која после можемо користити као храну за узгој стоке или гориво. На крају крајева можда и у нашој исхрани.

За почетак да појаснимо шта је тачно фотосинтеза. Састоји се из две фазе: такозване „светле“ (фотохемијске) када посебно једињење, хлорофил, апсорбује видљиву плаву или црвену светлост и преда електрон молекулу NADP (служи да пренесе електроне и протоне са једног молекула на други). Да би хлорофил надокнадио свој електрон он га, да тако кажем, узима од молекула воде у близини при чему се вода јонизује. Истовремено настаје још једно важно једињење – АТР, који служи да пренесе енергију из једног у други процес. И то је крај прве фазе. Следи „тамна“  (биохемијска) фаза када се претходно настали АТР и  NADPН користе за синтезу органских једињења заједно са угљен-диоксидом из атмосфере. Ензим RuBisCO (ribulozo-1,5-bisfosfat karbokslаza oksigenaza) врши редукцију угљеника из CO2 преузимањем електрона и протона са NADPН захваљујући енергији АТР-а и уграђује такав угљеник у органски низ, такозване угљоводонике. Настало једињење се после транспортује, складишти и користи када је потребна енергија. Ова друга фаза је циклична јер се рибулоза-бисфосфат обнавља током процеса и зато се још назива и Калвинов циклус.

Да сумирамо: сунчево зрачење се преводи у енергијом богата једињења при чему је важно присуство воде (неки организми уместо воде користе водоник-сулфид, ал је то већ друга прича). Настала једињења се користе за редукцију угљен-диоксида да би се добили угљеноводоници. Као продукт се ослобађа О2 којег не би било да нема фотосинтезе. И то је то. Ипак, колико год да звучи једноставно, нимало није.

За разлику од фотоћелија у којима се сунчево зрачење користи за добијање струје, процес добијања органских једињења на овај начин је веома захтеван. Иако биљке фотосинтезом годишње потроше чак 350 гигатона CO2 из атмосфере, овај процес је незахвалан да тако кажем. Главни разлог за то је управо RuBisCO који је активан само у присуству светлости и осетљив на веће количине кисеоника. Сам назив ензима говори да је у питању карбоксилаза (фиксира угљеник), али и оксигеназа (оксидује рибулозо-бисфосфат и спречава уградњу угљен-диоксида) у зависности од тога какав је однос CO2 и О2 у хлоропласту. Да би побољшали ефикасност фотосинтезе научници су (2016. године) кренули од ове тачке као најважније и одлучили да замене RuBisCO неком ефикаснијом карбоксилазом. За сада најефикаснија откривена је енол-СоА карбоксилаза (ЕСR) код неаутотрофних бактерија. ЕСR је неосетљива на кисеоник и не користи га као супстрат што је велика предност.

Друга ставка: било је потребно открити погодан супстрат за карбоксилацију уместо рибулозо-бисфосфата како би процес исто био цикличан. На овај начин је откривен већи број могућих биохемијских циклуса, па је следећа ставка била одређивање количине енергије која се потроши (у виду АТР-а и NADPН) у сваком циклусу. Резултати су показали да сви потенцијални алтернативни путеви фотосинтезе троше мање енергије него фотосинтеза у биљкама. Овде је наравно било још много важних ставки да би цео процес вештачке фотосинтезе могао правилно да се одвија у лабораторији (in vitro). На пример одабир ензима за заштиту од штетних оксидативних једињења као што је пероксид, затим одабир компоненти за пренос електрона и др.  Све у свему, вештачка фотосинтеза је могућа и постигнута у лабораторији!

Следећи циљеви су уношење оваквог система у живу ћелију – биљку или неког неаутотрофа као што је Escherichia coli. Проблем могу бити неспецифичне реакције услед присуства вештачког система унутар ћелије са много других ензима и супстрата. Ко зна шта све може да реагује, при чему могу настати отровна једињења. Предности су смањење количине угљен-диоксида у атмосфери пре свега, али и могућност добијања чистог водоника током прве фазе фотосинтезе који се после може користити као гориво уместо бензина и свих других облика чијом употребом ослобађамо још више CO2, метана итд.

Потребан је велики број експеримената како би ове замисли постале оствариве али можемо рећи да смо почели.