Discovery tilpasser naturlig membran til at lave brintbrændstof fra vand

En kemisk reaktionsvej, der er central for plantebiologi, er blevet tilpasset til at danne rygraden i en ny proces, der omdanner vand til brintbrændstof ved hjælp af energi fra solen.

I en nylig undersøgelse fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskere har kombineret to membranbundne proteinkomplekser for at udføre en fuldstændig omdannelse af vandmolekyler til brint og oxygen.

Arbejdet bygger på en tidligere undersøgelse, der undersøgte et af disse proteinkomplekser, kaldet Fotosystem I, et membranprotein, der kan bruge energi fra lys til at føde elektroner til en uorganisk katalysator, der laver brint. Denne del af reaktionen, imidlertid, repræsenterer kun halvdelen af ​​den samlede proces, der er nødvendig for brintproduktion.

Ved at bruge et andet proteinkompleks, der bruger energi fra lys til at spalte vand og tage elektroner fra det, kaldet Fotosystem II, Argonne-kemikeren Lisa Utschig og hendes kolleger var i stand til at tage elektroner fra vand og føre dem til Photosystem I.

"Det skønne ved dette design er i dets enkelthed - du kan selv samle katalysatoren med den naturlige membran for at lave den kemi, du ønsker." - Lisa Utschig, Argonne kemiker

I et tidligere eksperiment, forskerne forsynede Photosystem I med elektroner fra en offerelektrondonor. "Tricket var, hvordan man fik to elektroner til katalysatoren i hurtig rækkefølge, " sagde Utschig.

De to proteinkomplekser er indlejret i thylakoidmembraner, som dem, der findes inde i de iltskabende kloroplaster i højere planter. "membranen, som vi har taget direkte fra naturen, er afgørende for at parre de to fotosystemer, "Utschig sagde. "Det understøtter strukturelt dem begge samtidigt og giver en direkte vej til inter-protein elektronoverførsel, men hindrer ikke katalysatorbinding til Fotosystem I."

Ifølge Utschig, Z-skemaet - som er det tekniske navn for den lysudløste elektrontransportkæde af naturlig fotosyntese, der forekommer i thylakoidmembranen - og den syntetiske katalysator samles ganske elegant. "Det smukke ved dette design er i dets enkelthed - du kan selv samle katalysatoren med den naturlige membran for at lave den kemi, du ønsker, " hun sagde.

En yderligere forbedring involverede substitution af kobolt- eller nikkelholdige katalysatorer for den dyre platinkatalysator, der var blevet brugt i den tidligere undersøgelse. De nye kobolt- eller nikkelkatalysatorer kan dramatisk reducere potentielle omkostninger.

Det næste skridt for forskningen, ifølge Utschig, involverer inkorporering af det membranbundne Z-skema i et levende system. "Når vi har en in vivo system – et hvor processen foregår i en levende organisme – vi vil virkelig være i stand til at se gummiet ramme vejen med hensyn til brintproduktion, " hun sagde.