Een onderzoeksteam van de Ruhr-Universität Bochum (RUB), samen met collega's uit Lissabon, heeft een semi-kunstmatige elektrode geproduceerd die lichtenergie kan omzetten in andere vormen van energie in biozonnecellen. De techniek is gebaseerd op het fotosynthese-eiwit Photosystem I uit cyanobacteriën. De groep toonde aan dat ze hun systeem konden koppelen aan een enzym dat de omgezette lichtenergie gebruikte om waterstof te produceren. De resultaten zijn vooraf online gepubliceerd in oktober 2020 in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Voor het werk, de RUB-groep bestaande uit Panpan Wang, Dr. Fangyuan Zhao, Dr. Julian Szczesny, Dr. Adrian Ruff, Dr. Felipe Conzuelo en professor Wolfgang Schuhmann van het Centrum voor Elektrochemie werkten samen met het team bestaande uit Anna Frank, Professor Marc Nowaczyk en professor Matthias Rögner van de leerstoel Biochemie van planten en collega's van de Universidade Nova de Lisboa.

Kortsluitingsgevaar

Fotosysteem I maakt deel uit van de fotosynthesemachinerie in cyanobacteriën en planten. Met behulp van lichtenergie, het kan ladingen scheiden en zo energierijke elektronen genereren die kunnen worden overgedragen naar andere moleculen, bijvoorbeeld tot protonen voor de productie van waterstof.

In eerder werk, de wetenschappers van Bochum hadden het lichtverzamelende eiwitcomplex fotosysteem I al gebruikt om elektroden voor biozonnecellen te ontwerpen. Voor dit doeleinde, ze bedekten een elektrode met een fotosysteem I monolaag. In dergelijke monolagen, de fotosystemen zijn niet op elkaar gestapeld, maar naast elkaar in hetzelfde vlak liggen. Fotosysteem I, echter, komt meestal voor als een trimeer, d.w.z. drie fotosystemen zijn altijd aan elkaar gekoppeld. Aangezien de trimeren niet dicht bij elkaar kunnen worden verpakt, gaten verschijnen in de monolaag, wat kan leiden tot kortsluiting. Dit verslechtert de prestaties van het systeem. Het was precies dit probleem dat de wetenschappers in het huidige werk hebben opgelost.

Gaten in de fotosysteemlaag zijn gedicht

In de cyanobacterie Thermosynechococcus elongatus, fotosysteem I bestaat voornamelijk als trimeer. Met behulp van een nieuwe extractietechniek, de onderzoekers waren in staat om extra monomeren uit het organisme te isoleren, het creëren van een fotosysteem I monolaag op de elektrode waarin de monomeren de gaten tussen de trimeren vulden. Op deze manier, ze verminderden de kortsluiteffecten. Het systeem bereikte stroomdichtheden die twee keer zo hoog waren als een systeem dat alleen uit trimeren bestaat.

Om te laten zien waarvoor de techniek in principe zou kunnen worden gebruikt, de wetenschappers koppelden het aan een hydrogenase-enzym dat waterstof produceerde met behulp van elektronen die door het fotosysteem werden geleverd. "Toekomstig werk zal gericht zijn op een nog efficiëntere koppeling tussen de monolaag van het fotosysteem en de geïntegreerde biokatalysatoren om praktische biosystemen voor omzetting van zonne-energie te realiseren, ’ schrijven de auteurs.