В недавней статье, опубликованной в Журнале Американского химического общества (JACS), группа исследователей во главе с Хао Яном, Яном Лю и Нилом Вудбери из Школы молекулярных наук и Центра биодизайна для молекулярного дизайна и биомиметики при Университете штата Аризона сообщает значительный прогресс в оптимизации систем, имитирующих первую стадию фотосинтеза, улавливания и использования световой энергии солнца.
Вспоминая то, что мы узнали на уроке биологии, первым шагом в фотосинтезе листа растения является захват световой энергии молекулами хлорофилла. Следующим шагом будет эффективная передача этой световой энергии в ту часть фотосинтетического реакционного центра, где происходит химия с использованием энергии света.
Этот процесс, называемый передачей энергии, эффективно происходит при естественном фотосинтезе в антенном комплексе. Как антенна радио или телевидения, задача фотосинтетического антенного комплекса состоит в том, чтобы собирать поглощенную световую энергию и направлять ее в нужное место. Как построить собственные «антенные комплексы для передачи энергии»?.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, чтобы происходила химия, управляемая светом.
Проблема с природными комплексами в том, что их трудно воспроизвести с точки зрения дизайна; мы можем использовать их как есть, но мы хотим создавать системы, которые служат нашим собственным целям ", – сказал Вудбери. "Используя некоторые из тех же уловок, 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, если мы этого хотим."
Лаборатория Яна разработала способ использования ДНК для самосборки структур, которые могут служить в качестве шаблонов для сборки молекулярных комплексов с почти неограниченным контролем над размером, формой и функцией. Используя архитектуру ДНК в качестве шаблона, исследователи смогли объединить молекулы красителя в структуры, которые улавливали и передавали энергию на протяжении десятков нанометров с потерей эффективности
Для дальнейшего изучения биомиметических светособирающих комплексов на основе самоорганизующихся наноструктур краситель-ДНК Ян, Вудбери и Линь получили грант от Министерства энергетики (DOE). В предыдущей работе, финансируемой Министерством энергетики США, Ян и его команда продемонстрировали полезность ДНК в качестве программируемого шаблона для агрегации красителей.
Чтобы опираться на эти открытия, они будут использовать фотонные принципы, лежащие в основе комплексов сбора естественного света, для создания программируемых структур, основанных на самосборке ДНК, что обеспечивает гибкую платформу, необходимую для проектирования и разработки сложных молекулярных фотонных систем.
«Приятно видеть, что ДНК можно запрограммировать в качестве шаблона строительных лесов, чтобы имитировать светособирающие антенны Природы для передачи энергии на такое большое расстояние», – сказал Ян. "Это отличная демонстрация результатов исследования, проведенного многопрофильной командой."
Потенциальные результаты этого исследования могут выявить новые способы улавливания энергии и передачи ее на большие расстояния без чистых потерь.
В свою очередь, влияние этого исследования может привести к разработке более эффективных систем преобразования энергии, которые уменьшат нашу зависимость от ископаемого топлива.
«Я был рад участвовать в этом исследовании и иметь возможность опираться на долгосрочную работу, включая очень плодотворное сотрудничество с учеными и инженерами из Eastman Kodak и Университета Рочестера», – сказал Дэвид Дж. Уиттен из Университета Нью-Мексико, факультет химической и биологической инженерии. «Это исследование включало использование их цианинов для формирования агрегированных сборок, в которых происходит передача энергии на большие расстояния между донорным агрегатом цианина и акцептором."