Den gröna svavelbakterien gör sitt hem i Svarta havets kyliga vatten. För att klara av sin ensamma tillvaro, denna livsform tar bort energi från det svaga solljuset som är tillgängligt för den på ett djup av över 250 fot.

Växter utför samma anmärkningsvärda trick, samlar strålningsenergi från solen och omvandlar den till biologisk energi som är nödvändig för tillväxt. Denna process – fulländad under miljarder år – är känd som fotosyntes.

Nu, Hao Yan och Neal Woodbury från ASU:s Biodesign Institute och kollegor från Harvard och MIT, utforska nya metoder för att dra nytta av naturens ljusskördande hemligheter. Deras nya studie beskriver designen av ett syntetiskt system för energiinsamling, omvandling och transport som kan visa vägen till innovationer inom solenergi, materialvetenskap, nanoteknik och fotonik.

"Detta samarbete mellan flera institut visar en bra användning av DNA-nanoteknik för att rumsligt kontrollera och organisera kromoforer för framtida excitoniska nätverk, " sa Yan

Ljus rörelser

I forskning som visas i det avancerade onlinenumret av tidskriften Naturmaterial , ett system för programmerad sammansättning av ljusinsamlande element eller kromoforer beskrivs. I naturliga system som växter och fotosyntetiska bakterier, den rumsliga organisationen av tätt packade kromoforer är avgörande för effektiv, riktad energiöverföring. Sådana biologiska system arrangerar kromoforer på ett exakt sätt på stela byggnadsställningar som består av protein.

Så gott som allt liv på jorden är direkt eller indirekt beroende av fotosyntes. De organismer som använder det transporterar effektivt solljusenergin från receptorer, som samlar fotoner från solljus, till reaktionscentra där energin kan utnyttjas – en prestanda som lätt kan konkurrera med de mest effektiva konstgjorda solcellerna.

Ansträngningar för att förstå system för skörd av naturligt ljus i växter och fotosyntetiska mikrober går tillbaka minst ett sekel. Även om fenomenen har uppfattats i stora drag, detaljerna visar sig vara komplexa och utmaningarna med att skapa syntetiska analoger har varit betydande.

Växter utför fotosyntes genom att omvandla fotoner av ljus som träffar deras kromoforer till en annan form av energi som kallas exciton. En exciton är ett energitillstånd hos en molekyl, eller en nära kopplad grupp av molekyler efter att de exciteras av ljusabsorption. Excitoner är värdefulla i både naturlig fotosyntes och forskningsinsatser för att duplicera processen, eftersom de kan transportera energi från en molekyl till en annan, energi som i slutändan kan användas för att driva elektronernas rörelse.

Solenergi förväntas bidra avsevärt till den globala energiförsörjningen under nästa århundrade, när samhället övergår från användningen av fossila bränslen. För att åstadkomma detta, forskare måste lära sig att fånga, överföra och lagra solenergi med maximal effektivitet till överkomlig kostnad.

Designa från naturen

I den aktuella studien, färgämnesmolekyler som svarar på speciella områden av ljusenergi används som syntetiska kromoforer. Genom att använda DNA som ställning, färgämnesmolekylernas relativa positioner kan kontrolleras exakt, bättre efterlikna naturliga system.

Denna DNA-ställning kan självmontera från 6 remsor av enkelsträngat DNA vars basparningsegenskaper gör att den bildar den önskade strukturen. Formen, som har blivit en stöttepelare inom området DNA-nanoteknik, är känd som en dubbel crossover- eller DX-platta. (Se figur 1) Det används vanligtvis som en grundläggande byggsten för programmerade syntetiska DNA-sammansättningar.

Metoden som beskrivs gör det möjligt att modellera det optimala arrangemanget av kromoforer, producerar en ljusuppsamlingskrets som effektivt kan bära energin från en absorberad foton över avstånd längs DNA-arkitekturen med minimal energiförlust på vägen.

"Förmågan att modellera och bygga molekylära kretsar för att samla ljusenergi och flytta runt den på ett kontrollerat sätt, öppnar dörren för design och utveckling av en mängd olika enheter i nanoskala som drivs och styrs av ljus, " sa Woodbury.

Den resulterande syntetiska kretsen gör att absorptionsspektra för kromoforerna kan ställas in på ett subtilt sätt på ett sätt som liknar naturliga ljusupptagningssystem. Detta kan delvis åstadkommas genom att exakt kontrollera orienteringen av färgämnesmolekyler och deras avstånd från varandra.

Kvantsprång

Nyligen, forskare har fastställt att en del av framgången för naturliga fotosyntetiska system beror på konstiga fysiska effekter som tillhör kvantvärlden. Det visar sig att i fotosyntetiska organismer som innehåller flera kromoforer tätt packade, ljusexcitation kan delas mellan molekyler. Denna funktion – känd som kvantkoherens – kan avsevärt förbättra effektiviteten av energiöverföring. Det är en anledning till att växter och fotosyntetiska bakterier är så bra på det.

Effektiviteten hos biologiska system och nanomaskiner för att fånga ljus och transportera energi beror på den högordnade arkitekturen i nanoskala hos fotoaktiva molekyler. Under de senaste decennierna, användningen av DNA som mall för arrangemanget av funktionella element som organiska färgämnen i exakta arrayer har gått snabbt framåt.

I den aktuella studien, de självsammansättande egenskaperna hos DNA och kromoforer utnyttjades för att exakt bestämma platserna för J-aggregatets kromoforaggregat på DX-plattan. Dessa J-aggregat kromoforenheter har ljusinsamlingsegenskaper som liknar de naturliga ljusuppsamlingsantennerna som används av fotosyntetiska lila bakterier.

Det första steget var att identifiera storleksintervallet för kromoforfärgämnesaggregat som framgångsrikt kunde sammanfoga sig själv på en längd av dubbelsträngat DNA, samtidigt som effektiva energiöverföringsegenskaper bibehålls. Modellering fastställde att den minimala DNA-längden som var nödvändig för att rymma ett stabilt J-aggregat av kromoforer var 8 baspar.

Nästa, en krets bestående av fyra kromoforaggregat arrangerade på den DX-baserade plattan designades, modellerad, och optimerad, genom att använda principer för kvantdynamik för att vägleda den rationella sammansättningen av flera diskreta färgämnesaggregat i en DNA DX-platta. Kromoforaggregaten undersöktes beräkningsmässigt för att identifiera sekvensdesigner som visar snabba excitontransportegenskaper.

Den optimala kretsdesignen syntetiserades sedan och sofistikerade metoder för florescensspektroskopi användes för att exakt karakterisera resultaten. Ytterligare undersökningar försökte exakt karakterisera den molekylära organisationen av kromoforer inom ett enda J-aggregat.

Forskarna uppskattade att ett aggregat av 6 färgämnesmolekyler skulle samlas per 8 basparssegment av DNA, ett resultat, som passade väl med tidigare uppskattningar av 8-12 färgämnesmolekyler för varje varv av DNA:s dubbelspiralformade stege. Ett separationsavstånd på 2 baspar bestämdes för att ge den bästa excitoniska kopplingen mellan intilliggande kromoforaggregat. Den resulterande kretsen visade egenskaper för energitransport i överensstämmelse med modelleringsförutsägelser.

Framtida ljus

Framgången är ytterligare en demonstration av kraften och mångsidigheten hos ett nedifrån-och-upp-förhållningssätt till sammansättningen av arkitekturer i nanoskala. Specifikt, utformningen av excitoniska kretsar som den som beskrivs kan leda till nya tillämpningar utöver ljusskördande teknologi, inklusive innovationer inom informations- och kommunikationsteknik, och framsteg inom områden som sträcker sig från miljö, transport, sjukvård, tillverkning och energi.