Dubbelsträngat DNA som en mall för att styra självmontering av cyaninfärgämne som bildar starkt kopplade färgaggregat. Dessa DNA-malllade färgämnesaggregat tjänar som "excitontrådar" för att underlätta riktade, effektiv energiöverföring över avstånd upp till 32 nm. Kredit:Neal Woodbury och Hao Yan
När världen kämpar för att möta den ökande efterfrågan på energi, tillsammans med de stigande nivåerna av CO 2 i atmosfären från avskogning och användning av fossila bränslen, fotosyntesen i naturen kan helt enkelt inte hänga med i kolets kretslopp. Men tänk om vi kunde hjälpa den naturliga kolcykeln genom att lära av fotosyntesen för att generera våra egna energikällor som inte genererar CO 2 ? Artificiell fotosyntes gör just det, den utnyttjar solens energi för att generera bränsle på ett sätt som minimerar CO 2 produktion.
I en nyligen publicerad tidning i Journal of the American Chemical Society ( JACS ), ett team av forskare ledd av Hao Yan, Yan Liu och Neal Woodbury från School of Molecular Sciences and Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics vid Arizona State University rapporterar betydande framsteg när det gäller att optimera system som efterliknar den första etappen av fotosyntesen, fånga och utnyttja ljusenergi från solen.
Påminner om vad vi lärde oss i biologiklassen, det första steget i fotosyntesen i ett växtblad är fångst av ljusenergi av klorofyllmolekyler. Nästa steg är att effektivt överföra den ljusenergin till den del av det fotosyntetiska reaktionscentret där den ljusdrivna kemin äger rum. Denna process, kallas energiöverföring, sker effektivt i naturlig fotosyntes i antennkomplexet. Som antennen på en radio eller en TV, det fotosyntetiska antennkomplexets uppgift är att samla den absorberade ljusenergin och kantra den till rätt plats. Hur kan vi bygga våra egna "energiöverföringsantennkomplex", dvs. konstgjorda strukturer som absorberar ljusenergi och överför den över avstånd till där den kan användas?
"Fotosyntesen har bemästrat konsten att samla ljusenergi och flytta den över betydande avstånd till rätt plats för ljusdriven kemi att äga rum. Problemet med de naturliga komplexen är att de är svåra att reproducera ur ett designperspektiv; vi kan använda dem. dem som de är, men vi vill skapa system som tjänar våra egna syften, " sade Woodbury. "Genom att använda några av samma knep som naturen, men i samband med en DNA-struktur som vi kan designa exakt, vi övervinner denna begränsning, och möjliggör skapandet av ljusinsamlingssystem som effektivt överför ljusets energi där vi vill ha det."
Yans labb har utvecklat ett sätt att använda DNA för att självmontera strukturer som kan fungera som mallar för sammansättning av molekylära komplex med nästan obegränsad kontroll över storleken, form och funktion. Att använda DNA-arkitekturer som mall, forskarna kunde aggregera färgämnesmolekyler i strukturer som fångade och överförde energi över tiotals nanometer med en effektivitetsförlust på <1 % per nanometer. På så sätt efterliknar färgämnesaggregaten funktionen hos det klorofyllbaserade antennkomplexet i naturlig fotosyntes genom att effektivt överföra ljusenergi över långa avstånd från den plats där det absorberas och platsen där det kommer att användas.
För att ytterligare studera biomimetiska ljusskördskomplex baserade på självmonterade färg-DNA-nanostrukturer, Yan, Woodbury och Lin har fått ett bidrag från Department of Energy (DOE). I tidigare DOE-finansierat arbete, Yan och hans team visade nyttan av DNA för att fungera som en programmerbar mall för aggregering av färgämnen. För att bygga vidare på dessa fynd, de kommer att använda de fotoniska principerna som ligger till grund för skördskomplex för naturligt ljus för att konstruera programmerbara strukturer baserade på DNA-självmontering, som tillhandahåller den flexibla plattform som krävs för design och utveckling av komplexa molekylära fotoniska system.
"Det är fantastiskt att se att DNA kan programmeras som en ställningsmall för att efterlikna naturens ljusupptagningsantenner för att överföra energi över detta långa avstånd, ", sa Yan. "Detta är en fantastisk demonstration av forskningsresultat från ett mycket tvärvetenskapligt team."
De potentiella resultaten av denna forskning kan avslöja nya sätt att fånga energi och överföra den över längre avstånd utan nettoförlust. I tur och ordning, effekterna från denna forskning kan leda vägen för att designa mer effektiva energiomvandlingssystem som kommer att minska vårt beroende av fossila bränslen.
"Jag var glad över att delta i den här forskningen och att kunna bygga vidare på något långsiktigt arbete som sträcker sig tillbaka till några mycket givande samarbeten med forskare och ingenjörer vid Eastman Kodak och University of Rochester, " sa David G. Whitten vid University of New Mexico, Institutionen för kemi- och biologisk teknik. "Denna forskning inkluderade att använda deras cyaniner för att bilda aggregerade sammansättningar där långväga energiöverföring mellan ett donatorcyaninaggregat och en acceptor sker."
Arbetet som redovisas i Journal of the American Chemical Society framfördes av ASU-studenterna Xu Zhou och Sarthak Mandal, nu av National Institute of Technology i Tiruchirappalli, Indien, och Su Lin från Center for Innovations in Medicine vid Biodesign Institute, och Whittens elev Jianzhong Yang i samarbete med Yan och Woodbury.
