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这里有一种利用阳光制造燃料的新方法：让微生物几乎饿死，然后借助太阳能电池板产生的电压，用二氧化碳和氢气喂养它们。一种新开发的生物反应器利用光伏电路中连接的特殊催化剂分解水产生的氢气来喂养微生物。研究人员现在声称，这种类似电池的系统在将阳光转化为燃料和其他有用的分子方面，可能胜过纯生物或纯技术系统。
波士顿咨询集团的 Joseph Torella 说：“我们认为我们可以做得比植物更好。” 他协助领导了 2 月 9 日发表在《美国国家科学院院刊》上的这项研究。
这个过程始于 2009 年，当时哈佛大学的化学家 Daniel Nocera 开发了廉价的水分解催化剂。这些钴磷酸盐催化剂利用电力从普通水中制取氢气。但氢气作为替代燃料尚未普及。因此，当 Nocera 来到哈佛大学时，他与哈佛医学院的生物化学家 Pamela Silver、她当时的 graduate student Torella 和其他人合作，构建了一个可以制造更有用燃料的混合系统。
通过将机器和微生物配对，这种新型“仿生叶”兼具了两者的最佳特性。与细菌或植物的光合作用相比，光伏可以将更多的入射阳光转化为电流，而且新型催化剂可以分解普通水，甚至是来自波士顿查尔斯河的脏水。但是，微生物，无论是光合微生物还是其他微生物，都擅长将入射能量转化为有用的分子，无论是食物、燃料甚至是药品。因此，Torella 和团队的其他成员将光伏水分解晶片与Ralstonia eutropha（一种土壤细菌）配对，这种细菌可以利用分解出的氢气为在罐子中用碳构建分子提供动力。研究小组使用基因工程改造的 R. eutropha 变种，制造出了异丙醇 (C3H8O)，这是一种酒精分子，可以用作像乙醇或汽油一样的燃料，并且可以很容易地用盐从水中分离出来。
仿生叶每升水可以泵出 216 毫克异丙醇，其效率与玉米植物利用阳光制造富含淀粉的籽粒的效率不相上下。关键是使用经过特殊调整的 R. eutropha ，并将它们放入装满无营养液体以及氢气和溶解的二氧化碳的密封罐中。在罐子之间进行几次转移，加上剧烈的搅拌和时间，导致 R. eutropha 从正常生长转变为恐慌模式，诱导微生物直接以氢气为食。然后将由此产生的菌落放入装有水分解器和连接到光伏阵列的不锈钢电极的罐子中以提供电流，几天延迟后，新的仿生叶开始生长并吐出异丙醇。
这不是 R. eutropha 首次被用于利用太阳能发电制造燃料，但这项新研究首次将这种独特的微生物与水分解、电力驱动的化学物质放在同一个腔室中，而不是将生物与非生物分离，以防止非生物化学物质杀死生物。这项新研究也预示着电燃料（使用电力制造的液体燃料）梦想的工程进展，电燃料是能源高级研究计划署 (ARPA–E) 于 2008 年至 2012 年期间实施的一项创新计划，该计划帮助启发了这项研究。
这个想法是逆转燃烧，并像植物一样，利用化石燃料燃烧的废料——二氧化碳——来制造燃料。Torella 说：“石油和天然气不是燃料、塑料、肥料或用它们生产的无数其他化学品的可持续来源。石油和天然气之后，下一个最佳答案是生物学，从全球数字来看，生物学每年通过光合作用产生的碳是人类从石油中消耗的碳的 100 倍。”
经过改进后，仿生叶可以在任何有阳光和二氧化碳的地方生产燃料、药品或其他有用的分子。Silver 说：“想象一下，可以在一杯水中创建一个系统来生产新的和有用的化学物质。效率将是我们仿生叶的首要目标。”
这种改进可能以突变体 R. eutropha 的形式出现，这种突变体可能更擅长这项工作，或者更能耐受恶劣的条件，这可能有助于生产更多的燃料。或者，完全不同的微生物可能更容易将大部分二氧化碳转移到有用的分子中。或者，相反，可以调整电极材料，以最大限度地减少或消除它们对微生物提出的挑战。
使仿生叶发挥最佳作用的关键是在高电压下运行，这有助于 R. eutropha 细胞茁壮成长，同时还能产生大量所需的分子。但是，低电压可以额外生产所需的分子，但缺点是会通过电极处不必要的反应产生的有毒氧气副产品杀死细胞。氧气也对光合作用中的生命构成挑战，这可能最终意味着仿生叶会被非生物化学超越。普林斯顿大学的化学家 Andrew Bocarsly 问道：“如果我们提取氢气，并使其与[一氧化碳]或二氧化碳本身发生热反应会怎样？” 他曾研究过可以将二氧化碳转化为燃料的电化学电池。使用热量从这种合成气中构建分子已经在工业中得到应用，因此“现在的能源效率如何比较？我不知道答案。”
无论哪种方法获胜，逆转燃烧都有助于解决全球变暖问题。事实上，仿生叶的最终产品不一定是异丙醇，原则上可以是许多不同的碳基分子，甚至可能在将来成为更常见的碳氢化合物，即石油或天然气。Silver 在谈到仿生叶时指出：“经过改造以产生异丙醇的途径是碳通量巨大的途径。从理论上讲，可以制造其他燃料分子。”