Lær af fotosyntese:Syntetiske kredsløb kan høste lysenergi

Den grønne svovlbakterie gør sit hjem i Sortehavets kølige vand. For at slippe sin ensomme eksistens ud, denne livsform fjerner energi fra det svage sollys til rådighed i en dybde på over 250 fod.

Planter udfører det samme bemærkelsesværdige trick, at samle strålende energi fra solen og omdanne den til biologisk energi, der er afgørende for vækst. Denne proces - perfektioneret over milliarder af år - er kendt som fotosyntese.

Nu, Hao Yan og Neal Woodbury fra ASU's Biodesign Institute og kolleger fra Harvard og MIT, udforske nye metoder til at udnytte naturens lyshøsthemmeligheder. Deres nye undersøgelse skitserer designet af et syntetisk system til energisamling, konvertering og transport, der kan pege vejen til innovationer inden for solenergi, materialevidenskab, nanoteknologi og fotonik.

"Denne multiinstitutts samarbejdsindsats demonstrerer en god brug af DNA-nanoteknologi til rumligt at kontrollere og organisere kromoforer til fremtidige excitoniske netværk, "Sagde Yan

Let bevægelser

I forskning, der optræder i det avancerede online -nummer af tidsskriftet Naturmaterialer , et system til programmeret samling af lysopsamlingselementer eller kromoforer er beskrevet. I naturlige systemer som planter og fotosyntetiske bakterier, den rumlige organisation af tætpakkede kromoforer er afgørende for effektiv, rettet energioverførsel. Sådanne biologiske systemer arrangerer kromoforer på en præcis måde på stive stilladser sammensat af protein.

Stort set alt liv på jorden er direkte eller indirekte afhængig af fotosyntese. Organismerne, der bruger det, transporterer effektivt energien fra sollys fra receptorer, som samler fotoner fra sollys, til reaktionscentre, hvor energien kan udnyttes - en præstation, der let kan konkurrere med de mest effektive menneskeskabte solceller.

Bestræbelser på at forstå høstsystemer for naturligt lys i planter og fotosyntetiske mikrober stammer fra mindst et århundrede. Selvom fænomenerne er blevet forstået i store træk, detaljerne viser sig at være komplekse, og udfordringerne ved at skabe syntetiske analoger har været betydelige.

Planter udfører fotosyntese ved at konvertere fotoner af lys, der rammer deres kromoforer, til en anden energiform, kendt som en exciton. En exciton er en energisk tilstand af et molekyle, eller tæt koblet gruppe af molekyler, efter at de er exciteret af lysabsorption. Excitons er værdifulde i både naturlig fotosyntese og forskningsindsats for at duplikere processen, fordi de kan bære energi fra et molekyle til et andet, energi, der i sidste ende kan bruge til at drive elektroners bevægelse.

Solenergi forventes at bidrage væsentligt til den globale energiforsyning i løbet af det næste århundrede, som samfundet går over fra brugen af ​​fossile brændstoffer. For at opnå dette, forskere skal lære at fange, overføre og gemme solenergi med maksimal effektivitet til en overkommelig pris.

Design fra naturen

I den aktuelle undersøgelse, farvestofmolekyler, der reagerer på bestemte lysenergiområder, bruges som syntetiske kromoforer. Ved at bruge DNA som et stillads, farvestofmolekylernes relative positioner kan præcist kontrolleres, bedre efterligne naturlige systemer.

Dette DNA-stillads kan selv samles fra 6 strimler af enkeltstrenget DNA, hvis baseparringsegenskaber får det til at danne den ønskede struktur. Formen, som er blevet en grundpille inden for DNA -nanoteknologi, er kendt som en dobbelt crossover- eller DX-flise. (Se figur 1) Det bruges almindeligvis som en grundlæggende byggesten til programmerede syntetiske DNA -forsamlinger.

Den skitserede metode gør det muligt at modellere det optimale arrangement af kromoforer, producerer et lyshøstkredsløb, der effektivt kan transportere energien fra en absorberet foton over afstand langs DNA-arkitekturen med minimalt energitab undervejs.

"Evnen til at modellere og bygge molekylære kredsløb til opsamling af lysenergi og flytte den rundt på en kontrolleret måde, åbner døren for design og udvikling af en række forskellige nanoskala-enheder, der drives og styres af lys, "Sagde Woodbury.

Det resulterende syntetiske kredsløb gør det muligt at finjustere chromoforernes absorptionsspektre på en måde, der ligner naturlige lyshøstsystemer. Dette kan delvist opnås ved nøjagtigt at kontrollere orienteringen af ​​farvestofmolekyler og deres afstand til hinanden.

Kvante spring

For nylig, forskere har fastslået, at en del af succesen med naturlige fotosyntetiske systemer skyldes finurlige fysiske effekter, der tilhører kvanteverdenen. Det viser sig, at i fotosyntetiske organismer, der indeholder flere kromoforer pakket tæt sammen, lys excitation kan deles mellem molekyler. Denne funktion - kendt som kvantesammenhæng - kan forbedre effektiviteten af ​​energioverførsel betydeligt. Det er en af ​​grundene til, at planter og fotosyntetiske bakterier er så gode til det.

Effektiviteten af ​​biologiske systemer og nanomaskiner til at fange lys og transportere energi skyldes den højtordnede nanoskalaarkitektur af fotoaktive molekyler. I de sidste årtier har brugen af ​​DNA som en skabelon til arrangement af funktionelle elementer som organiske farvestoffer i præcise arrays har været hurtigt undervejs.

I den aktuelle undersøgelse, de selvsamlende egenskaber ved DNA og chromophorer blev udnyttet til præcist at bestemme placeringen af ​​J-aggregatet chromophore-samlinger på DX-flisen. Disse J-aggregerede kromoforesamlinger har lysopsamlingsegenskaber, der ligner de naturlige lyshøstantenner, der bruges af fotosyntetiske lilla bakterier.

Det første trin var at identificere størrelsesområdet for chromophore farvestofaggregater, der med succes kunne samle sig på en længde af dobbeltstrenget DNA, samtidig med at effektive energioverføringsegenskaber bevares. Modellering fastslog, at den minimale DNA-længde, der var nødvendig for at rumme et stabilt J-aggregat af kromoforer, var 8 basepar.

Næste, et kredsløb sammensat af fire chromoforaggregater arrangeret på den DX-baserede flise blev designet, modelleret, og optimeret, ved hjælp af principper for kvantedynamik til at guide den rationelle samling af flere diskrete farvestofaggregater inden for en DNA DX-flise. Kromoforaggregaterne blev undersøgt beregningsmæssigt for at identificere sekvensdesign, der viser hurtige exciton -transportegenskaber.

Det optimale kredsløbsdesign blev derefter syntetiseret, og sofistikerede metoder til florescensspektroskopi blev brugt til præcist at karakterisere resultaterne. Yderligere undersøgelser forsøgte at præcist karakterisere den molekylære organisation af kromoforer inden for et enkelt J-aggregat.

Forskerne vurderede, at et aggregat på 6 farvestofmolekyler ville samles pr. 8 basepar segment af DNA, et resultat, som stemte godt overens med tidligere estimater af 8-12 farvestofmolekyler for hver tur af DNAs dobbeltspiralstige. En separationsafstand på 2 basepar blev bestemt til at give den bedste excitoniske kobling mellem tilstødende chromoforaggregater. Det resulterende kredsløb viste egenskaber ved energitransport i overensstemmelse med modelleringsforudsigelser.

Fremtidens lys

Succesen er endnu en demonstration af kraften og alsidigheden i en bottom-up tilgang til samling af nanoskala arkitekturer. Specifikt, designet af excitoniske kredsløb som det beskrevne kan føre til nye applikationer ud over lyshøstteknologi, herunder innovationer inden for informations- og kommunikationsteknologi, og fremskridt inden for områder lige fra miljøet, transport, sundhedspleje, produktion og energi.