Med tanke på fossila bränslers reserver och den förödande miljöpåverkan av att förlita sig på fossila bränslen, utvecklingen av rena energikällor är en av de mest angelägna utmaningarna för den moderna industriella civilisationen. Solenergi är ett attraktivt alternativ för ren energi, men den omfattande implementeringen av solenergiteknik beror på utvecklingen av effektiva sätt att omvandla ljusenergi till kemisk energi.

Liksom många andra forskargrupper, medlemmarna i professor Takehisa Dewas forskargrupp vid Nagoya Institute of Technology i Japan har vänt sig till biologiska fotosyntetiska apparater, vilka är, i prof. Dewas ord, både "en inspirationskälla och ett mål för att testa sätt att förbättra effektiviteten hos artificiella system." Specifikt, de valde att fokusera på den lila fotosyntetiska bakterien Rhodopseudomonas palustris, som använder ett biohybrid ljusskördande 1-reaktionskärnkomplex (LH1-RC) för att både fånga upp ljusenergi och omvandla den till kemisk energi.

I deras inledande studier av R. palustris, Professor Dewas grupp noterade snabbt att LH1-RC-systemet har vissa begränsningar, som att bara kunna skörda ljusenergi effektivt inom ett relativt smalt våglängdsband på grund av dess beroende av (bakterio) klorofyller, en enda lättskörd organisk pigmentenhet (B875, uppkallad efter dess maximala absorption). För att övervinna denna begränsning, forskarna, i samarbete med medarbetare vid Osaka University och Ritsumeikan University, experimenterade med att kovalent koppla LH1-RC-systemet till en uppsättning fluoroforer (Alexa647, Alexa680, Alexa750, och ATTO647N). Resultaten av deras experiment visas i en artikel publicerad i ett nyligen utgåva av Journal of Photochemistry &Photobiology A:Chemistry .

Efter att ha syntetiserat sitt modifierade LH1-RC-system, Prof. Dewas team använde en metod som kallades "femtosekund transient absorptionsspektroskopi" för att bekräfta närvaron av ultrahurtig "excitationsenergi" -överföring från fluoroforerna till bakterioklorofyllet och pigment i B875 -enheten. De bekräftade också den efterföljande förekomsten av "laddningsseparations" -reaktioner, ett viktigt steg i energihämtningen. Inte överraskande, överföringshastigheten för excitationsenergi ökade med större spektral överlappning mellan fluoroforernas emissionsband och absorptionsbandet för B875. Att fästa de externa ljusskördande fluoroforerna ökade enzymets maximala utbyte av laddningsseparation och fotoströmningsgenereringsaktivitet på en elektrod i ett artificiellt lipidsystem med två lipider.

Genom att introducera kovalent kopplade fluoroforer i ett bakteriellt fotosyntetiskt enzym, Professor Dewas team lyckades bredda enzymets band av skördbara ljusvåglängder. Detta är en viktig förbättring med tanke på den extremt låga energitätheten i solljus. "Detta fynd kan bana väg för att utveckla ett effektivt artificiellt fotosyntessystem för omvandling av solenergi, "konstaterar professor Dewa." Forskning om biohybrider bör ge insikter i utvecklingen av implementerbara energiomvandlingssystem, och därmed ge den avancerade moderna civilisationen ett praktiskt alternativ för att få tillgång till en outtömlig tillgång på ren solenergi, " han lägger till.

Energiomvandlingssystemen i fråga kan ha många former, inklusive olika nanomaterial, såsom kvantprickar och nanokolmaterial, men en enande funktion kommer att vara behovet av ett sätt att utnyttja en bredspektrumapparat för skörd av ljus till en fotoströmgenererande apparat, och systemet av biohybridtyp som utvecklats av prof. Dewas team ger ett genomförbart sätt att tillgodose detta behov.