Door fotosynthese kunnen planten licht omzetten in chemische energie. Het gebruik van dit proces om elektrische energie te produceren is wereldwijd een onderzoeksdoel. Nu is een team van wetenschappers van de Technische Universitaet Muenchen en de Universiteit van Tel Aviv erin geslaagd om de foto-elektrische stroom die wordt gegenereerd door afzonderlijke moleculen van het fotosysteem I rechtstreeks af te leiden en te meten.

Een team van wetenschappers, onder leiding van Joachim Reichert, Johannes Barth, en Alexander Holleitner (Technische Universitaet Muenchen), en Itai Carmeli (Universiteit van Tel Aviv) ontwikkelden een methode om fotostromen van een enkel gefunctionaliseerd fotosynthetisch eiwitsysteem te meten. De wetenschappers konden aantonen dat een dergelijk systeem kan worden geïntegreerd en selectief kan worden aangepakt in kunstmatige fotovoltaïsche apparaatarchitecturen met behoud van hun biomoleculaire functionele eigenschappen. De eiwitten vertegenwoordigen lichtgestuurde, zeer efficiënte elektronenpompen met één molecuul die kunnen fungeren als stroomgeneratoren in elektrische circuits op nanoschaal. Het interdisciplinaire team publiceert de resultaten in Natuur Nanotechnologie deze week.

De wetenschapper onderzocht het fotosysteem-I-reactiecentrum, een chlorofyl-eiwitcomplex dat zich in membranen van chloroplasten van cyanobacteriën bevindt. Planten, algen en bacteriën gebruiken fotosynthese om zonne-energie om te zetten in chemische energie. De beginfasen van dit proces - waarbij licht wordt geabsorbeerd en energie en elektronen worden overgedragen - worden gemedieerd door fotosynthetische eiwitten die zijn samengesteld uit chlorofyl- en carotenoïdecomplexen. Tot nu, geen van de beschikbare methoden was gevoelig genoeg om fotostromen te meten die door een enkel eiwit worden gegenereerd. Photosystem-I vertoont uitstekende opto-elektronische eigenschappen die alleen in fotosynthetische systemen worden aangetroffen. De dimensie op nanoschaal maakt het fotosysteem-I verder een veelbelovende eenheid voor toepassingen in moleculaire opto-elektronica.

De eerste uitdaging die de natuurkundigen moesten aangaan, was de ontwikkeling van een methode om enkelvoudige moleculen in sterke optische velden elektrisch in contact te brengen. Het centrale element van het gerealiseerde nanodevice zijn fotosynthetische eiwitten die zelf-geassembleerd zijn en covalent gebonden aan een gouden elektrode via cysteïne-mutatiegroepen. De fotostroom werd gemeten door middel van een met goud bedekte glazen punt die werd gebruikt in een scanning near-field optische microscopie-opstelling. De fotosynthetische eiwitten worden optisch geëxciteerd door een fotonenstroom die door de tetraëdrische punt wordt geleid die tegelijkertijd voor het elektrische contact zorgt. Met deze techniek, de natuurkundigen waren in staat om de fotostroom te volgen die werd gegenereerd in afzonderlijke eiwiteenheden.