Nyt energiomdannelseslag til biosolceller

Et forskerhold fra Ruhr-Universität Bochum (RUB), sammen med kolleger fra Lissabon, har produceret en semi-kunstig elektrode, der kunne omdanne lysenergi til andre former for energi i biosolceller. Teknikken er baseret på fotosynteseproteinet Photosystem I fra cyanobakterier. Gruppen viste, at de kunne koble deres system med et enzym, der brugte den omdannede lysenergi til at producere brint. Resultaterne blev offentliggjort online på forhånd i oktober 2020 i tidsskriftet Angewandte Chemie .

For arbejdet, RUB -gruppen bestående af Panpan Wang, Dr. Fangyuan Zhao, Dr. Julian Szczesny, Dr. Adrian Ruff, Dr. Felipe Conzuelo og professor Wolfgang Schuhmann fra Center for Elektrokemi samarbejdede med holdet bestående af Anna Frank, Professor Marc Nowaczyk og professor Matthias Rögner fra stolen for biokemi af planter samt kolleger fra Universidade Nova de Lisboa.

Kortslutningsfare

Fotosystem I er en del af fotosyntesemaskineriet i cyanobakterier og planter. Ved hjælp af lysenergi, det kan adskille ladninger og dermed generere højenergielektroner, der kan overføres til andre molekyler, for eksempel til protoner til produktion af brint.

I tidligere arbejde, Bochum-forskerne havde allerede brugt det lysopsamlende proteinkompleks fotosystem I til at designe elektroder til biosolceller. Til dette formål, de dækkede en elektrode med et fotosystem I monolag. I sådanne monolag, fotosystemerne er ikke stablet oven på hinanden, men ligger side om side i samme plan. Fotosystem I, imidlertid, forekommer normalt som en trimer, dvs. tre fotosystemer er altid forbundet med hinanden. Da trimerne ikke kan pakkes tæt sammen, huller vises i monolaget, hvilket kan føre til kortslutninger. Dette forringer systemets ydeevne. Det var netop dette problem, som forskerne løste i dette arbejde.

Huller i fotosystemlaget tilstoppet

I cyanobakteriet Thermosynechococcus elongatus, fotosystem I eksisterer hovedsageligt som en trimer. Ved at bruge en ny ekstraktionsteknik, forskerne var i stand til at isolere yderligere monomerer fra organismen, skabe et fotosystem I monolag på elektroden, hvor monomererne fyldte hullerne mellem trimererne. På denne måde de reducerede kortslutningseffekterne. Systemet opnåede strømtætheder dobbelt så høje som et system, der kun bestod af trimere.

For at vise hvad teknikken i princippet kunne bruges til, forskerne koblede det til et hydrogenaseenzym, der producerede brint ved hjælp af elektroner leveret af fotosystemet. "Fremtidigt arbejde vil blive rettet mod endnu mere effektiv kobling mellem fotosystemets monolag og de integrerede biokatalysatorer for at realisere praktiske biosystemer til solenergikonvertering, " skriver forfatterne.