Høst energi fra lys ved hjælp af bioinspirerede kunstige celler

Forskere designede og forbandt to forskellige kunstige celler til hinanden for at producere molekyler kaldet ATP (adenosintrifosfat). ATP er den grundlæggende enhed, som alle levende ting bruger til at bære og levere energi til at køre processer i celler. Forskerne udviklede en gruppe kunstige celler, der genererer protoner, når den udsættes for lys. De udviklede også forskellige kunstige celler, der indeholder et enzym, der kan bruge disse protoner til at generere ATP. Holdet forbandt derefter de to celletyper sammen.

Dette kunstige celledesign bruger små stænger (nanoroder) lavet af sølv og guld til at skabe en biologisk cellevæg, der ligner dem i naturen. Disse stænger er i kontrast til lipiderne (såsom fedt og fedtsyrer), som biologiske celler bruger til at lave cellevægge. Disse nanoroder reagerer på lys på en måde, der fremskynder, hvor hurtigt visse proteiner kan producere protoner.

Nylige bestræbelser på at fremstille kunstige celler har membraner pakket med nanopartikler og samlet i en kolloid kapsel. Selve membransubstansen giver fordele, herunder afstembare porer, hvorigennem ioner kan passere. Imidlertid, membranmaterialet kan også påvirke iboende processer af interesse i de kunstige celler.

Udgivet i Angewandte Chemie International Edition , Studiet, "Light-Gated Synthetic Protocells for Plasmon-Enhanced Chemiosmotic Gradient Generation and ATP Synthesis" var designet til at udvikle en forståelse af sådanne effekter. Forskere ved Center for nanoskala materialer ved Argonne National Laboratory, en Department of Energy Office of Science brugerfacilitet, skabt lysreagerende kunstige celler ved hjælp af såkaldte plasmoniske materialer –nanosystemer, der kan interagere med lys på unikke måder-til de kolloidale kapsler.

Ud over, et lysporet protein bruges til at drive en fotoaktiveret synteseproces. De kunstige celler har et kolloid pakket med sølvguld (Au-Ag) nanoroder, der samler sig til kapsler. Desuden, Au-Ag nanoroderne opnår en plasmonresonans under visse lysforhold. Det lysaktiverede protein bakteriorhodopsin blev derefter fastgjort til kapselens overflade.

Bacteriorhodopsin blev valgt for sin evne til at transportere protoner hen over en membran under belysning. Bakterien hodopsin fanger lysenergi, bruger den energi til at pumpe protoner hen over membranen, og konverterer forskellene i protonkoncentrationer til kemisk energi.

Det celle-lignende potentiale i dette design blev yderligere demonstreret ved at udnytte protonerne som "kemiske signaler" til at udløse ATP-biosyntese i en sameksistent kunstig cellepopulation. I alt, de kunstige celler fungerer konsekvent med designmål. Den brede plasmonresonans af Au-Ag kolloidale kapsler øgede sandsynligheden for fotoreaktion af det lysaktiverede protein, og dermed skabe en ny lysstyrbar syntetisk "protocelle".

Den syntetiske protocellmodel giver muligheder for at udvikle alternative sol-til-kemiske energiomdannelsessystemer.