Terwijl de wereld worstelt om aan de toenemende vraag naar energie te voldoen, in combinatie met de stijgende CO .-niveaus ₂ in de atmosfeer door ontbossing en het gebruik van fossiele brandstoffen, fotosynthese in de natuur kan de koolstofcyclus gewoon niet bijhouden. Maar wat als we de natuurlijke koolstofcyclus zouden kunnen helpen door te leren van fotosynthese om onze eigen energiebronnen te genereren die geen CO opwekten? ₂ ? Kunstmatige fotosynthese doet precies dat, het maakt gebruik van de energie van de zon om brandstof te genereren op manieren die CO . minimaliseren ₂ productie.

In een recent artikel gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ), een team van onderzoekers onder leiding van Hao Yan, Yan Liu en Neal Woodbury van de School of Molecular Sciences en Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics aan de Arizona State University melden aanzienlijke vooruitgang bij het optimaliseren van systemen die de eerste fase van fotosynthese nabootsen, het opvangen en benutten van lichtenergie van de zon.

Herinnerend aan wat we leerden in de biologieles, de eerste stap in fotosynthese in een plantenblad is het opvangen van lichtenergie door chlorofylmoleculen. De volgende stap is het efficiënt overbrengen van die lichtenergie naar het deel van het fotosynthetische reactiecentrum waar de door licht aangedreven chemie plaatsvindt. Dit proces, energieoverdracht genoemd, komt efficiënt voor bij natuurlijke fotosynthese in het antennecomplex. Zoals de antenne van een radio of een televisie, de taak van het fotosynthetische antennecomplex is om de geabsorbeerde lichtenergie te verzamelen en naar de juiste plaats te leiden. Hoe kunnen we onze eigen "antennecomplexen voor energieoverdracht" bouwen? d.w.z., kunstmatige structuren die lichtenergie absorberen en over afstand overbrengen naar waar het kan worden gebruikt?

"Fotosynthese heeft de kunst van het verzamelen van lichtenergie onder de knie en deze over aanzienlijke afstanden naar de juiste plaats te verplaatsen om door licht aangedreven chemie te laten plaatsvinden. Het probleem met de natuurlijke complexen is dat ze moeilijk te reproduceren zijn vanuit een ontwerpperspectief; we kunnen gebruik maken van ze zoals ze zijn, maar we willen systemen creëren die onze eigen doelen dienen, " zei Woodbury. "Door enkele van dezelfde trucs te gebruiken als de natuur, maar in de context van een DNA-structuur die we precies kunnen ontwerpen, we overwinnen deze beperking, en het creëren van lichtoogstsystemen mogelijk maken die de energie van licht efficiënt overbrengen waar we het willen hebben."

Yan's lab heeft een manier ontwikkeld om DNA te gebruiken om zelf structuren te assembleren die kunnen dienen als sjablonen voor het samenstellen van moleculaire complexen met bijna onbeperkte controle over de grootte, vorm en functie. Met behulp van DNA-architecturen als een sjabloon, de onderzoekers waren in staat om kleurstofmoleculen te aggregeren in structuren die energie over tientallen nanometers opvangen en overdragen met een efficiëntieverlies van <1% per nanometer. Op deze manier bootsen de kleurstofaggregaten de functie van het op chlorofyl gebaseerde antennecomplex in natuurlijke fotosynthese na door lichtenergie efficiënt over lange afstanden over te dragen van de plaats waar het wordt geabsorbeerd en de plaats waar het zal worden gebruikt.

Om biomimetische lichtoogstcomplexen verder te bestuderen op basis van zelf-geassembleerde kleurstof-DNA-nanostructuren, Jan, Woodbury en Lin hebben een subsidie ​​ontvangen van het Department of Energy (DOE). In eerder door DOE gefinancierd werk, Yan en zijn team demonstreerden het nut van DNA om te dienen als een programmeerbare sjabloon voor het aggregeren van kleurstoffen. Om op deze bevindingen voort te bouwen, ze zullen de fotonische principes gebruiken die ten grondslag liggen aan complexen voor het oogsten van natuurlijk licht om programmeerbare structuren te construeren op basis van DNA-zelfassemblage, die het flexibele platform biedt dat nodig is voor het ontwerp en de ontwikkeling van complexe moleculaire fotonische systemen.

"Het is geweldig om te zien dat DNA kan worden geprogrammeerd als een steigersjabloon om de lichtoogstantennes van de natuur na te bootsen om energie over deze lange afstand over te dragen, " zei Yan. "Dit is een geweldige demonstratie van onderzoeksresultaten van een zeer interdisciplinair team."

De mogelijke resultaten van dit onderzoek kunnen nieuwe manieren onthullen om energie op te vangen en over langere afstanden over te dragen zonder nettoverlies. Beurtelings, de impact van dit onderzoek zou het voortouw kunnen nemen bij het ontwerpen van efficiëntere energieconversiesystemen die onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen.

"Ik was verheugd om deel te nemen aan dit onderzoek en om voort te kunnen bouwen op een aantal langdurige werkzaamheden die teruggingen tot enkele zeer vruchtbare samenwerkingen met wetenschappers en ingenieurs van Eastman Kodak en de Universiteit van Rochester, " zei David G. Whitten van de Universiteit van New Mexico, Afdeling Chemische en Biologische Engineering. "Dit onderzoek omvatte het gebruik van hun cyanines om geaggregeerde assemblages te vormen waarbij energieoverdracht over lange afstand tussen een donorcyanineaggregaat en een acceptor plaatsvindt."

Het werk gerapporteerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society werd uitgevoerd door ASU-studenten Xu Zhou en Sarthak Mandal, nu van het National Institute of Technology in Tiruchirappalli, Indië, en Su Lin van het Center for Innovations in Medicine aan het Biodesign Institute, en Whitten's student Jianzhong Yang in samenwerking met Yan en Woodbury.