Поскольку мир изо всех сил пытается удовлетворить растущий спрос на энергию в сочетании с повышением уровня CO2 в атмосфере из-за обезлесения и использования ископаемого топлива, фотосинтез в природе просто не успевает за круговоротом углерода. Но что, если бы мы могли помочь естественному круговороту углерода, научившись на основе фотосинтеза создавать собственные источники энергии, которые не производят CO2? Искусственный фотосинтез делает именно это, он использует солнечную энергию для производства топлива таким образом, чтобы свести к минимуму производство CO2..
В недавней статье, опубликованной в Журнале Американского химического общества (JACS), группа исследователей во главе с Хао Яном, Ян Лю и Нилом Вудбери из Школы молекулярных наук и Центра молекулярного дизайна и биомиметики биодизайна из Аризонского государственного университета сообщают о значительном прогрессе в оптимизации систем, которые имитируют первую стадию фотосинтеза, улавливая и используя световую энергию солнца.
Вспоминая то, что мы узнали на уроках биологии, первый шаг в фотосинтезе в листе растения - захват энергии света молекулами хлорофилла. Следующим шагом является эффективная передача этой световой энергии той части фотосинтетического реакционного центра, где происходит химия, основанная на свете. Этот процесс, называемый переносом энергии, эффективно происходит при естественном фотосинтезе в антенном комплексе. Подобно антенне радио или телевизора, задача фотосинтетического антенного комплекса состоит в том, чтобы собирать поглощенную световую энергию и направлять ее в нужное место. Как мы можем построить свои собственные «энергопередающие антенные комплексы», т. е. искусственные конструкции, которые поглощают световую энергию и передают ее на расстояние туда, где ее можно использовать?
"Фотосинтез овладел искусством сбора световой энергии и перемещения ее на значительные расстояния в нужное место, где должна происходить химия, управляемая светом. Проблема с природными комплексами заключается в том, что их трудно воспроизвести из дизайна точки зрения; мы можем использовать их такими, какие они есть, но мы хотим создавать системы, которые служат нашим собственным целям», - сказал Вудбери.«Используя некоторые из тех же трюков, что и природа, но в контексте структуры ДНК, которую мы можем точно спроектировать, мы преодолеваем это ограничение и позволяем создавать системы сбора света, которые эффективно передают энергию света туда, где мы этого хотим."
Лаборатория Яна разработала способ использования ДНК для самосборки структур, которые могут служить шаблонами для сборки молекулярных комплексов с почти неограниченным контролем размера, формы и функции. Используя архитектуру ДНК в качестве шаблона, исследователи смогли агрегировать молекулы красителя в структуры, которые улавливали и передавали энергию на десятки нанометров с потерей эффективности <1% на нанометр. Таким образом, агрегаты красителя имитируют функцию антенного комплекса на основе хлорофилла в естественном фотосинтезе, эффективно передавая световую энергию на большие расстояния от места, где она поглощается, и места, где она будет использоваться..
Для дальнейшего изучения биомиметических светособирающих комплексов на основе самособирающихся наноструктур краситель-ДНК Ян, Вудбери и Лин получили грант от Министерства энергетики (DOE). В предыдущей работе, финансируемой Министерством энергетики, Ян и его команда продемонстрировали полезность ДНК в качестве программируемого шаблона для агрегации красителей. Чтобы опираться на эти результаты, они будут использовать фотонные принципы, лежащие в основе комплексов, собирающих естественный свет, для создания программируемых структур на основе самосборки ДНК, что обеспечивает гибкую платформу, необходимую для проектирования и разработки сложных молекулярных фотонных систем.
«Здорово видеть, что ДНК можно запрограммировать в качестве шаблона лесов, чтобы имитировать антенны, собирающие свет в природе, для передачи энергии на это большое расстояние», - сказал Ян. «Это отличная демонстрация результатов исследований междисциплинарной команды».
Потенциальные результаты этого исследования могут выявить новые способы захвата энергии и ее передачи на большие расстояния без чистых потерь. В свою очередь, влияние этого исследования может привести к разработке более эффективных систем преобразования энергии, которые снизят нашу зависимость от ископаемого топлива.
«Я был рад принять участие в этом исследовании и иметь возможность продолжить долгосрочную работу, основанную на очень плодотворном сотрудничестве с учеными и инженерами из Eastman Kodak и Рочестерского университета», - сказал Дэвид Г. Уиттен из Университета Нью-Мексико, факультет химической и биологической инженерии. «Это исследование включало использование их цианинов для формирования агрегированных агрегатов, в которых происходит перенос энергии на большие расстояния между агрегатом донорного цианина и акцептором».