En kemisk reaktionsväg som är central för växtbiologi har anpassats för att utgöra ryggraden i en ny process som omvandlar vatten till vätebränsle med energi från solen.

I en färsk studie från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har kombinerat två membranbundna proteinkomplex för att utföra en fullständig omvandling av vattenmolekyler till väte och syre.

Arbetet bygger på en tidigare studie som undersökte ett av dessa proteinkomplex, kallas Fotosystem I, ett membranprotein som kan använda energi från ljus för att mata elektroner till en oorganisk katalysator som producerar väte. Denna del av reaktionen, dock, representerar bara hälften av den totala process som behövs för väteproduktion.

Genom att använda ett andra proteinkomplex som använder energi från ljus för att dela vatten och ta elektroner från det, kallas Photosystem II, Argonne -kemisten Lisa Utschig och hennes kollegor kunde ta elektroner från vatten och mata dem till Fotosystem I.

"Skönheten i denna design är i sin enkelhet-du kan själv montera katalysatorn med det naturliga membranet för att göra den kemi du vill ha"-Lisa Utschig, Argonne kemist

I ett tidigare experiment, forskarna försåg Photosystem I med elektroner från en offergivande elektrondonator. "Tricket var hur man snabbt fick två elektroner till katalysatorn, "Sa Utschig.

De två proteinkomplexen är inbäddade i tylakoidmembran, som de som finns inuti de syreskapande kloroplasterna i högre växter. "Membranet, som vi har tagit direkt från naturen, är avgörande för att para ihop de två fotosystemen, "Utschig sa." Det stöder dem båda strukturellt samtidigt och ger en direkt väg för elektronöverföring mellan proteiner, men hindrar inte katalysatorbindning till fotosystem I. "

Enligt Utschig, Z-schemat-som är det tekniska namnet på den ljusutlösta elektrontransportkedjan för naturlig fotosyntes som förekommer i tylakoidmembranet-och den syntetiska katalysatorn samlas ganska elegant. "Skönheten i denna design är i sin enkelhet-du kan själv montera katalysatorn med det naturliga membranet för att göra den kemi du vill ha, " Hon sa.

En ytterligare förbättring involverade substitution av kobolt eller nickelhaltiga katalysatorer för den dyra platinakatalysatorn som hade använts i den tidigare studien. De nya kobolt- eller nickelkatalysatorerna kan dramatiskt minska potentiella kostnader.

Nästa steg för forskningen, enligt Utschig, innebär att det membranbundna Z-schemat införlivas i ett levande system. "När vi väl har en in vivo system - ett där processen sker i en levande organism - kommer vi verkligen att kunna se gummit som träffar vägen när det gäller väteproduktion, " Hon sa.