En forskargrupp från Ruhr-Universität Bochum (RUB), tillsammans med kollegor från Lissabon, har tagit fram en semi-artificiell elektrod som skulle kunna omvandla ljusenergi till andra energiformer i biosolceller. Tekniken bygger på fotosyntesproteinet Photosystem I från cyanobakterier. Gruppen visade att de kunde koppla ihop sitt system med ett enzym som använde den omvandlade ljusenergin för att producera väte. Resultaten publicerades online i förväg i oktober 2020 i tidskriften Angewandte Chemie .

För arbetet, RUB-gruppen bestående av Panpan Wang, Dr Fangyuan Zhao, Dr Julian Szczesny, Dr Adrian Ruff, Dr Felipe Conzuelo och professor Wolfgang Schuhmann från Centre for Electrochemistry samarbetade med teamet bestående av Anna Frank, Professor Marc Nowaczyk och professor Matthias Rögner från ordföranden för växternas biokemi samt kollegor från Universidade Nova de Lisboa.

Kortslutningsrisk

Fotosystem I är en del av fotosyntesmaskineriet i cyanobakterier och växter. Med hjälp av ljusenergi, det kan separera laddningar och därmed generera högenergielektroner som kan överföras till andra molekyler, till exempel till protoner för produktion av väte.

I tidigare arbeten, forskarna från Bochum hade redan använt det ljussamlande proteinkomplexet fotosystem I för att designa elektroder för biosolceller. För det här syftet, de täckte en elektrod med ett fotosystem I monolager. I sådana monolager, fotosystemen är inte staplade ovanpå varandra, men ligger sida vid sida i samma plan. Fotosystem I, dock, förekommer vanligtvis som en trimer, dvs tre fotosystem är alltid sammanlänkade. Eftersom trimrarna inte kan packas tätt ihop, hål uppstår i monoskiktet, vilket kan leda till kortslutningar. Detta försämrar systemets prestanda. Det var just detta problem som forskarna löste i detta arbete.

Hål i fotosystemlagret igensatta

I cyanobakterien Thermosynechococcus elongatus, fotosystem I existerar huvudsakligen som en trimer. Med hjälp av en ny extraktionsteknik, forskarna kunde isolera ytterligare monomerer från organismen, skapa ett fotosystem I-monoskikt på elektroden där monomererna fyllde hålen mellan trimererna. På det här sättet, de minskade kortslutningseffekterna. Systemet uppnådde dubbelt så höga strömtätheter som ett system som endast bestod av trimerer.

För att visa vad tekniken i princip skulle kunna användas till, forskarna kopplade det till ett hydrogenasenzym som producerade väte med hjälp av elektroner från fotosystemet. "Framtida arbete kommer att riktas mot en ännu effektivare koppling mellan fotosystemets monolager och de integrerade biokatalysatorerna för att realisera praktiska biosystem för solenergiomvandling, " skriver författarna.