Een chemisch reactiepad dat centraal staat in de plantenbiologie is aangepast om de ruggengraat te vormen van een nieuw proces dat water omzet in waterstofbrandstof met behulp van energie van de zon.

In een recente studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers hebben twee membraangebonden eiwitcomplexen gecombineerd om een ​​volledige omzetting van watermoleculen in waterstof en zuurstof uit te voeren.

Het werk bouwt voort op een eerdere studie die een van deze eiwitcomplexen onderzocht, genaamd Fotosysteem I, een membraaneiwit dat energie van licht kan gebruiken om elektronen te voeden aan een anorganische katalysator die waterstof maakt. Dit deel van de reactie, echter, vertegenwoordigt slechts de helft van het totale proces dat nodig is voor waterstofopwekking.

Door een tweede eiwitcomplex te gebruiken dat energie uit licht gebruikt om water te splitsen en er elektronen uit te halen, genaamd Fotosysteem II, Argonne-chemicus Lisa Utschig en haar collega's waren in staat om elektronen uit water te halen en aan Photosystem I te voeren.

"De schoonheid van dit ontwerp zit in zijn eenvoud - je kunt de katalysator zelf samenstellen met het natuurlijke membraan om de chemie te doen die je wilt" - Lisa Utschig, Scheikundige van Argonne

In een eerder experiment, de onderzoekers voorzagen Photosystem I van elektronen van een opofferingselektronendonor. "De truc was om twee elektronen snel achter elkaar naar de katalysator te krijgen, ' zei Utschig.

De twee eiwitcomplexen zijn ingebed in thylakoïde membranen, zoals die gevonden worden in de zuurstof-creërende chloroplasten in hogere planten. "Het membraan, die we rechtstreeks uit de natuur hebben gehaald, is essentieel voor het koppelen van de twee fotosystemen, " Utschig zei. "Het ondersteunt beide tegelijkertijd structureel en biedt een directe route voor inter-eiwitelektronenoverdracht, maar belemmert de binding van de katalysator aan Photosystem I niet."

Volgens Utschig, het Z-schema - wat de technische naam is voor de door licht geactiveerde elektronentransportketen van natuurlijke fotosynthese die plaatsvindt in het thylakoïde membraan - en de synthetische katalysator komen vrij elegant samen. "De schoonheid van dit ontwerp zit in zijn eenvoud - je kunt de katalysator zelf samenstellen met het natuurlijke membraan om de chemie te doen die je wilt, " ze zei.

Een andere verbetering was de vervanging van kobalt- of nikkelhoudende katalysatoren door de dure platinakatalysator die in het eerdere onderzoek was gebruikt. De nieuwe kobalt- of nikkelkatalysatoren zouden de potentiële kosten drastisch kunnen verlagen.

De volgende stap voor het onderzoek, volgens Utschig, omvat het opnemen van het membraangebonden Z-schema in een levend systeem. "Als we eenmaal een in vivo systeem - een waarin het proces plaatsvindt in een levend organisme - zullen we echt in staat zijn om het rubber op de weg te zien komen in termen van waterstofproductie, " ze zei.