На схемах это выглядит как кондитерская из самокручивающейся ленты, с которой тут и там свисают кусочки шика. Фактически, это тщательно разработанное кольцо белков с прикрепленными пигментами, которое самоорганизуется в структуру, впитывающую солнечный свет.
Создавшие его ученые назвали это испытательным стендом или платформой для быстрого прототипирования светособирающих антенн – структур, обнаруженных в растениях и фотосинтезирующих бактериях, – которые делают первый шаг в преобразовании солнечного света в полезную энергию.
Антенны состоят из белкового каркаса, который удерживает молекулы пигмента в идеальных положениях для захвата и передачи солнечной энергии. Количество и разнообразие молекул пигмента определяет, сколько солнечной энергии антенны могут захватывать и сбрасывать в энергетическую ловушку.
В онлайн-выпуске Chemical Science от 6 августа 2013 г., новой публикации Королевского химического общества, ученые описывают два прототипа антенны, которые они построили на своем испытательном стенде. Один из них включает синтетические красители под названием Oregon Green и Rhodamine Red, а другой объединяет Oregon Green и синтетическую версию бактериохлорофилла, пигмента, который поглощает свет в ближней инфракрасной области спектра.
Обе конструкции поглощают больше солнечного спектра, чем собственные антенны, пурпурных бактерий, которые послужили источником вдохновения и некоторыми компонентами для испытательного стенда. Также прототипы было намного проще собрать, чем синтетические антенны, сделанные полностью с нуля. В этом смысле они предлагают лучшее из обоих миров, сочетая синтетическую изобретательность человека с репертуаром надежных химических машин, выбранных эволюцией.
Однажды двухэлементная система (состоящая из антенны и второго блока, называемого реакционным центром) могла бы служить миниатюрной розеткой, в которую можно было бы подключить фотохимические модули.
Затем солнечная энергия может быть использована непосредственно для расщепления воды, выработки электричества или создания устройств молекулярного масштаба.
Проект был организован Исследовательским центром фотосинтетических антенн (PARC) Вашингтонского университета в Санкт-Петербурге. Louis, один из 46 исследовательских центров Energy Frontier, финансируемых Министерством энергетики в 2009 г. Команда использовала опыт многих ученых, связанных с PARC, в том числе Дьюи Холтен и Кристин Кирмайер из Вашингтонского университета в Санкт-Петербурге.
Луи, Пол Лоуч и Памела Паркс-Лоуч из Северо-Западного университета, Джонатан Линдси из Университета штата Северная Каролина, Дэвид Босиан из Калифорнийского университета в Риверсайде и Нил Хантер из Университета Шеффилда в Соединенном Королевстве.
Дизайнерские пигменты
Природа разработала множество различных систем для улавливания солнечной энергии, но все они полагаются на пигменты, молекулы, которые кажутся сильно окрашенными, потому что они избирательно поглощают некоторые длины волн или цвета света в солнечном спектре.
Наиболее знакомый нам пигмент – хлорофилл, молекула, которая заставляет растения казаться зелеными. Но этот зеленый цвет говорит о том, что растение поглощает солнечную энергию.
Мы видим растения как зеленые, потому что они отражают зеленую часть спектра и вместо этого поглощают фиолетовую и красную части спектра.
Мало того, что растения пропускают середину видимого спектра, они также пропускают свет на длинах волн длиннее, чем мы можем видеть, включая фотоны ближнего инфракрасного диапазона, поглощаемые фотосинтезирующими бактериями.
Вспомогательные пигменты, такие как каротиноиды, которые придают листьям великолепный осенний цвет, заполняют некоторые пробелы, но большие участки солнечного спектра проходят сквозь них нетронутыми.
«Поскольку растительные пигменты на самом деле отражают большую часть падающего на них света, – сказал Хантер, – потенциально есть много света, который вы можете собрать, и растения не беспокоятся о нем»."
Команда полагается на Джонатана Линдси в разработке и синтезе пигментов, которые могут поглощать на длинах волн, которые заполнят некоторые дыры в поглощении природных систем. «Это невозможно сделать, исходя из первых принципов, – сказала Линдси, – но у нас есть большая база данных известных поглотителей, и поэтому, опираясь на это и рассуждая по аналогии, мы можем разработать большое количество разнообразных пигментов."
К белковой основе можно прикрепить более одного синтетического или натурального пигмента. «Оба прототипа в статье« Химическая наука »имеют по два, но в конечном итоге мы хотели бы добавить три, четыре или даже больше», – сказала Линдси. «Одна из наших целей – понять, в какой степени белок можно дериватизировать с помощью пигментов."
«Эффективность дизайна зависит не только от наличия дополнительных пигментов, но и от пигментов, способных разговаривать друг с другом, так что энергия, попадающая на любой из них, может переходить на следующий пигмент, а затем на следующий после этого. Они должны работать вместе ", – объяснил Хантер.
"Энергия ниспадает, как водопад", – сказал Хантер. "Итак, вы льете энергию в верхнюю часть водопада, и она попадает в один пигмент и перескакивает к следующему и следующему, и, наконец, к пигменту внизу, который с точки зрения энергии является пигментом самого красного цвета."
Самостоятельная сборочная линия
Если одной целью проекта был широкий спектральный охват, то другой – избежать трудоемкого синтеза, обычно необходимого для создания дизайнерских светособирающих антенн.
К счастью, светособирающие антенны из пурпурных бактерий представляют собой модульные устройства, которые самостоятельно собираются в соответствующих условиях, которые были разработаны членами команды Полом Лоучем и Памелой Паркс-Лоуч. Базовый модуль – это пара пептидов (коротких белков), называемых альфа и бета, которые, в свою очередь, содержат две молекулы бактериохлорофилла, которые поглощают свет и действуют как ловушка для всей собранной энергии.
Благодаря химическому сродству компонентов они сами собираются в диады при добавлении вместе в моющее средство (моющее средство используется вместо воды, потому что части пептидов избегают воды). Регулируя концентрацию детергента и температуру, диады образуют кольца, которые в нативной антенне содержат до 16 альфа / бета диад и, таким образом, до 32 бактериохлорофиллов.
На испытательном стенде ученые используют пептиды, которые были слегка модифицированы по сравнению с нативной аминокислотной последовательностью, для присоединения дополнительных пигментов, чтобы увеличить покрытие солнечного спектра. Места крепления были выбраны, чтобы не нарушать самосборку компонентов в диады и диады в кольца.
«Это пример того, что в данной области можно назвать полусинтезом», – сказала Линдси. «Мы берем материалы природного происхождения и комбинируем их с синтетическими, чтобы создать то, чего не существует в природе. Взяв много природного материала, мы можем создавать молекулы, которые архитектурно более сложны, чем те, которые мы можем сделать с нуля."
После сборки антенна отправляется в лабораторию Холтена / Кирмайера, где используются различные спектроскопические методы, включая сверхбыструю лазерную спектроскопию, для возбуждения каждой молекулы пигмента и отслеживания передачи энергии от одного пигмента к другому и вниз к цели. бактериохлорофилл. При наличии правильных пигментов в правильных местах этот перенос чрезвычайно эффективен, и при этом теряется мало энергии.
Образцы также отправлялись в лабораторию Босиан, где их исследуют на предмет структурной целостности, и в лабораторию Хантера, где снимаются изображения колец, которые имеют размер всего от 11 до 16 нанометров (миллиардную долю метра) и должны быть увеличены в десятки тысяч раз. раз, чтобы быть видимым.
«Я занимаюсь фотосинтезом в течение 50 лет, – сказал Лоуч, – и я не могу вспомнить много других случаев, когда так много хороших людей с таким разнообразием талантов собирались вместе, чтобы попытаться решить проблемы. Приятно быть частью этого и видеть, что получится в результате сотрудничества."