De groene zwavelbacterie vindt zijn thuis in de kille wateren van de Zwarte Zee. Om uit zijn eenzame bestaan ​​te komen, deze levensvorm vangt energie op uit het zwakke zonlicht dat voor hem beschikbaar is op een diepte van meer dan 80 meter.

Planten voeren dezelfde opmerkelijke truc uit, het verzamelen van stralingsenergie van de zon en het omzetten in biologische energie die essentieel is voor groei. Dit proces - geperfectioneerd over miljarden jaren - staat bekend als fotosynthese.

Nutsvoorzieningen, Hao Yan en Neal Woodbury van ASU's Biodesign Institute en collega's van Harvard en MIT, verken nieuwe methoden om te profiteren van de geheimen van het lichtoogsten van de natuur. Hun nieuwe studie schetst het ontwerp van een synthetisch systeem voor het verzamelen van energie, conversie en transport die mogelijk de weg wijzen naar innovaties in zonne-energie, materiaal kunde, nanotechnologie en fotonica.

"Deze gezamenlijke inspanning van meerdere instituten demonstreert een mooi gebruik van DNA-nanotechnologie om chromoforen ruimtelijk te controleren en te organiseren voor toekomstige excitonische netwerken, " zei Yan

Licht beweegt

In onderzoek dat verschijnt in het geavanceerde online nummer van het tijdschrift Natuurmaterialen , een systeem voor de geprogrammeerde assemblage van lichtverzamelende elementen of chromoforen wordt beschreven. In natuurlijke systemen zoals planten en fotosynthetische bacteriën, de ruimtelijke organisatie van dicht opeengepakte chromoforen is van vitaal belang voor efficiënte, gerichte energieoverdracht. Dergelijke biologische systemen rangschikken chromoforen op een nauwkeurige manier op stijve steigers die zijn samengesteld uit eiwit.

Vrijwel al het leven op aarde is direct of indirect afhankelijk van fotosynthese. De organismen die het gebruiken, transporteren de energie van zonlicht efficiënt van receptoren, die fotonen verzamelen uit zonlicht, naar reactiecentra waar de energie kan worden benut - een prestatie die gemakkelijk kan wedijveren met de meest efficiënte door de mens gemaakte zonnecellen.

Pogingen om systemen voor het oogsten van natuurlijk licht in planten en fotosynthetische microben te begrijpen dateren van minstens een eeuw. Hoewel de verschijnselen in grote lijnen zijn begrepen, de details blijken complex en de uitdagingen bij het maken van synthetische analogen waren aanzienlijk.

Planten voeren fotosynthese uit door fotonen van licht dat op hun chromoforen valt om te zetten in een andere vorm van energie die bekend staat als een exciton. Een exciton is een energetische toestand van een molecuul, of nauw gekoppelde groep moleculen nadat ze zijn geëxciteerd door lichtabsorptie. Excitonen zijn waardevol in zowel natuurlijke fotosynthese als onderzoeksinspanningen om het proces te dupliceren, omdat ze energie van het ene molecuul naar het andere kunnen transporteren, energie die uiteindelijk kan worden gebruikt om de beweging van elektronen aan te drijven.

Zonne-energie zal naar verwachting in de komende eeuw aanzienlijk bijdragen aan de wereldwijde energievoorziening, naarmate de samenleving overgaat van het gebruik van fossiele brandstoffen. Om dit te bereiken, onderzoekers moeten leren vastleggen, zonne-energie overbrengen en opslaan met maximale efficiëntie tegen betaalbare kosten.

Ontwerpen vanuit de natuur

In de huidige studie, kleurstofmoleculen die reageren op bepaalde bereiken van lichtenergie worden gebruikt als synthetische chromoforen. Door DNA als steiger te gebruiken, de relatieve posities van de kleurstofmoleculen kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd, beter nabootsen van natuurlijke systemen.

Deze DNA-steiger kan zichzelf samenstellen uit 6 stroken enkelstrengs DNA waarvan de eigenschappen van basenparen ervoor zorgen dat het de gewenste structuur vormt. Het formulier, dat een steunpilaar is geworden op het gebied van DNA-nanotechnologie, staat bekend als een dubbele crossover- of DX-tile. (Zie afbeelding 1) Het wordt vaak gebruikt als basisbouwsteen voor geprogrammeerde synthetische DNA-assemblages.

De geschetste methode maakt het mogelijk om de optimale opstelling van chromoforen te modelleren, het produceren van een lichtoogstcircuit dat efficiënt de energie van een geabsorbeerd foton over afstand langs de DNA-architectuur kan vervoeren met minimaal energieverlies onderweg.

"Het vermogen om moleculaire circuits te modelleren en te bouwen om lichtenergie te verzamelen en op een gecontroleerde manier te verplaatsen, opent de deur voor het ontwerp en de ontwikkeling van een verscheidenheid aan apparaten op nanoschaal die worden aangedreven en bestuurd door licht, ' zei Woodbury.

Het resulterende synthetische circuit maakt het mogelijk om de absorptiespectra van de chromoforen subtiel af te stemmen op een manier die vergelijkbaar is met systemen voor het oogsten van natuurlijk licht. Dit kan gedeeltelijk worden bereikt door de oriëntatie van kleurstofmoleculen en hun afstand tot elkaar nauwkeurig te regelen.

Kwantumsprong

Onlangs, onderzoekers hebben vastgesteld dat een deel van het succes van natuurlijke fotosynthetische systemen te danken is aan eigenzinnige fysieke effecten die tot de kwantumwereld behoren. Het blijkt dat in fotosynthetische organismen die meerdere dicht op elkaar gepakte chromoforen bevatten, lichtexcitatie kan worden gedeeld tussen moleculen. Deze functie, bekend als kwantumcoherentie, kan de efficiëntie van energieoverdracht aanzienlijk verbeteren. Het is een van de redenen dat planten en fotosynthetische bacteriën er zo goed in zijn.

De effectiviteit van biologische systemen en nanomachines bij het opvangen van licht en het transporteren van energie is te danken aan de zeer geordende architectuur op nanoschaal van fotoactieve moleculen. In de afgelopen decennia is het gebruik van DNA als sjabloon voor de rangschikking van functionele elementen zoals organische kleurstoffen in nauwkeurige arrays heeft een snelle vooruitgang ondergaan.

In de huidige studie, de zelf-assemblerende eigenschappen van DNA en chromoforen werden benut om de locaties voor de J-aggregaat-chromofoor-assemblages op de DX-tegel nauwkeurig te bepalen. Deze J-aggregaat-chromofoorassemblages hebben lichtverzamelende kenmerken die vergelijkbaar zijn met de natuurlijke lichtoogstantennes die worden gebruikt door fotosynthetische paarse bacteriën.

De eerste stap was het identificeren van het groottebereik van chromofoorkleurstofaggregaten die zichzelf met succes konden assembleren op een lengte van dubbelstrengs DNA, met behoud van efficiënte energieoverdrachtseigenschappen. Modellering stelde vast dat de minimale DNA-lengte die nodig was om een ​​stabiel J-aggregaat van chromoforen te huisvesten 8 basenparen was.

Volgende, er is een circuit ontworpen dat bestaat uit vier chromofooraggregaten die zijn gerangschikt op de DX-gebaseerde tegel, gemodelleerd, en geoptimaliseerd, met behulp van principes van kwantumdynamica om de rationele assemblage van meerdere discrete kleurstofaggregaten binnen een DNA DX-tegel te begeleiden. De chromofooraggregaten werden computationeel onderzocht om sequentieontwerpen te identificeren die snelle excitontransporteigenschappen vertonen.

Het optimale circuitontwerp werd vervolgens gesynthetiseerd en geavanceerde methoden van fluorescentiespectroscopie werden gebruikt om de resultaten nauwkeurig te karakteriseren. Verdere onderzoeken probeerden de moleculaire organisatie van chromoforen binnen een enkel J-aggregaat nauwkeurig te karakteriseren.

De onderzoekers schatten dat een aggregaat van 6 kleurstofmoleculen zich zou verzamelen per 8 basenpaarsegment van DNA, een resultaat, wat goed overeenkwam met eerdere schattingen van 8-12 kleurstofmoleculen voor elke draai van de dubbele spiraalvormige ladder van DNA. Er werd een scheidingsafstand van 2 basenparen bepaald om de beste excitonische koppeling tussen aangrenzende chromofooraggregaten te verschaffen. Het resulterende circuit vertoonde eigenschappen van energietransport die consistent zijn met modelvoorspellingen.

Toekomstig licht

Het succes is opnieuw een demonstratie van de kracht en veelzijdigheid van een bottom-up benadering van de assemblage van architecturen op nanoschaal. specifiek, het ontwerp van excitonische circuits zoals beschreven zou kunnen leiden tot nieuwe toepassingen die verder gaan dan de technologie voor het oogsten van licht, met inbegrip van innovaties op het gebied van informatie- en communicatietechnologie, en vooruitgang op gebieden variërend van het milieu, vervoer, gezondheidszorg, productie en energie.