Forskere forbedrer et fotosyntetisk enzym ved at tilføje fluoroforer

I betragtning af fossile brændstofreservers begrænsede karakter og de ødelæggende miljøpåvirkninger af at stole på fossile brændstoffer, udviklingen af ​​rene energikilder er blandt de mest presserende udfordringer for den moderne industrielle civilisation. Solenergi er en attraktiv mulighed for ren energi, men den store implementering af solenergiteknologier vil afhænge af udviklingen af ​​effektive måder at konvertere lysenergi til kemisk energi på.

Ligesom mange andre forskningsgrupper, medlemmerne af professor Takehisa Dewas forskerhold ved Nagoya Institute of Technology i Japan har vendt sig til biologiske fotosyntetiske apparater, som er, i Prof. Dewas ord, både "en inspirationskilde og et mål for at teste måder at forbedre effektiviteten af ​​kunstige systemer." Specifikt, de valgte at fokusere på den lilla fotosyntetiske bakterie Rhodopseudomonas palustris, som bruger et biohybrid lyshøstet 1-reaktion centerkernekompleks (LH1-RC) til både at fange lysenergi og omdanne det til kemisk energi.

I deres indledende undersøgelser af R. palustris, Prof. Dewas gruppe bemærkede hurtigt, at LH1-RC-systemet har visse begrænsninger, såsom kun at kunne høste lysenergi effektivt inden for et relativt smalt bølgelængdebånd på grund af dets afhængighed af (bakterio) klorofyl, en enkelt lyshøstende organisk pigmentmontering (B875, opkaldt efter dets absorption maksimum). For at overvinde denne begrænsning, forskerne, i partnerskab med samarbejdspartnere ved Osaka University og Ritsumeikan University, eksperimenteret med kovalent at forbinde LH1-RC-systemet med et sæt fluoroforer (Alexa647, Alexa680, Alexa750, og ATTO647N). Resultaterne af deres eksperimenter fremgår af et papir, der blev offentliggjort i et nyligt nummer af Journal of Photochemistry &Photobiology A:Kemi .

Efter at have syntetiseret deres modificerede LH1-RC system, Prof. Dewas team anvendte en metode kaldet "femtosekund -transient absorptionsspektroskopi" til at bekræfte tilstedeværelsen af ​​ultrahurtig "excitationsenergi" -overførsel fra fluoroforerne til bakteriochlorofyllet og pigmenter i B875 -samlingen. De bekræftede også den efterfølgende forekomst af 'ladningsseparations' -reaktioner, et vigtigt skridt i energihøstning. Ikke overraskende, hastigheden af ​​excitationsenergioverførsel steg med større spektral overlapning mellem fluoroforernes emissionsbånd og absorptionsbåndet af B875. Vedhæftning af de eksterne lyshøstede fluoroforer øgede enzymets maksimale udbytte af ladningsseparation og fotostrømgenereringsaktivitet på en elektrode i et kunstigt lipid-dobbeltlagssystem.

Ved at indføre kovalent forbundne fluoroforer i et bakterielt fotosyntetisk enzym, Prof. Dewas team lykkedes at udvide enzymets bånd af høstbare lysbølgelængder. Dette er en vigtig forbedring i betragtning af sollysets ekstremt lave energitæthed. "Dette fund kunne bane vejen til at udvikle et effektivt kunstigt fotosyntesesystem til konvertering af solenergi, "bemærker prof. Dewa." Forskning i biohybrider bør give indsigt i udviklingen af ​​implementerbare energiomdannelsessystemer, derved give den avancerede moderne civilisation en praktisk mulighed for at få adgang til en uudtømmelig forsyning af ren solenergi, "tilføjer han.

De pågældende energiomdannelsessystemer kan have mange former, herunder forskellige nanomaterialer, såsom kvanteprikker og nanocarbonmaterialer, men et samlende træk vil være behovet for en eller anden måde at udnytte et bredspektret lyshøstningsapparat til et fotostrømgenererende apparat, og systemet af biohybridtypen, der er udviklet af prof. Dewas team, giver et muligt middel til at imødekomme dette behov.