Ett USA-baserat team av forskare inklusive MIPT-forskare har satt ihop en biologisk struktur i nanoskala som kan producera väte från vatten med hjälp av ljus. De infogade ett ljuskänsligt protein i nanoskivor - cirkulära fragment av cellmembran som består av ett lipiddubbelskikt - och förbättrade den resulterande strukturen med partiklar av titandioxid, en fotokatalysator. Forskningsresultaten publicerades i tidskriften ACS Nano .

Professor Vladimir Chupin, som leder Laboratory of the Chemistry and Physics of Lipids vid MIPT:s forskningscenter för molekylära mekanismer för åldrande och åldersrelaterade sjukdomar, säger, "Våra laboratorier som arbetar med membranproteiner, särskilt med nanoskivor, är mest inriktade på biofysiska och medicinska frågor. Dock, den nyligen genomförda gemensamma studien med våra amerikanska kollegor visar att genom att sammanföra biologiska och tekniska material, nanoskivor kan användas för att få vätebränsle."

Vätgasbränsle

Väte är en av de renaste alternativa energikällorna. När det brinner, den enda produkt som bildas är vattenånga. Vidare, på 45 procent eller mer, effektiviteten för vätgas är mycket högre jämfört med mindre än 35 procent för bensin eller diesel. Även om stora biltillverkare, som Toyota, Honda, och BMW, tillverkar redan vätgasdrivna bilar, deras antal är blygsamma. Vätgas är fortfarande dyrt att få tag på, till stor del på grund av den höga strömförbrukningen. Av denna anledning, forskare letar efter sätt att generera detta bränsle genom att utnyttja andra energikällor.

Väte kan framställas från vatten med hjälp av solenergi. Processen kräver speciella föreningar som kallas fotokatalysatorer. Titandioxid är en av de mest använda. Det är knappast den mest effektiva fotokatalysatorn, fastän, så forskare går långt för att förbättra dess prestanda genom att mala den till nanostorlek eller lägga till föroreningar. För detta ändamål, forskarna vid Argonne National Laboratory i Illinois, U.S., har vänt sig till biologi, sätta ihop en nanostruktur gjord av titandioxid och ett membranprotein som kallas bakteriorodopsin. Genom att förbättra varandras prestationer, dessa två ljuskänsliga komponenter bildar ett nytt system vars kapacitet vida överstiger de ingående delarnas.

Bacteriorhodopsin är ett fotokänsligt protein som är en del av membranen hos vissa mikrobiella celler. Faktiskt, det finns en hel del sådana proteiner, men den som användes i denna studie togs från Halobacterium salinarum. Ena änden av proteinet sticker ut på utsidan av en cell, medan den andra änden är på insidan. Solljus får bakteriohodopsin att pumpa ut protoner ur cellen, vilket gör det möjligt för cellen att syntetisera energi i form av adenosintrifosfat. Tillfälligtvis, människokroppen producerar totalt cirka 70 kilo ATP varje dag.

Forskare kan nu syntetisera liv på konstgjord väg, utan biologiska celler inblandade. Således, funktionella membranproteiner kan erhållas genom att använda media som efterliknar proteinernas naturliga miljö. Bland sådana medier som är tillgängliga för forskare är nanoskivor - membranfragment som består av fosfolipider och omges av två proteinmolekyler i en dubbelbältesformation. Storleken på en nanodskiva beror på längden på de två bältesliknande proteinerna. Som ett membranprotein, bakteriodopsin hör hemma i ett cellmembran och är därför ganska hemma i en nanoskiva, vilket är en fantastisk struktur utformad för att bevara naturlig proteinstruktur. Nanoskivor har använts för att studera membranproteinstrukturer, utveckla medicinska medel, och används nu för fotokatalys. Assisterad av MIPT-materialforskare, forskarna fick nanoskivor med en diameter på 10 nanometer, med bakteriohodopsin kapslat inuti.

De slutade med väte

Teamet löste nanoskivor i vatten, tillsammans med titandioxidpartiklar. De lade till platina, eftersom det gör fotokatalys mer effektiv. Låt stå över natten i den blandningen, nanoskivorna fastnade på de katalytiska partiklarna. Bacteriorhodopsin - protonpumpen - fördubblades som en antenn. Den fångade ljus och överförde sin energi till titandioxid, öka dess känslighet för ljus. Dessutom, bakteriohodopsin utförde sin vanliga funktion att translokera protoner, som reducerades, ger väte tack vare närvaron av platinakatalysatorn. Eftersom det krävs elektroner för att reducera protoner, forskarna lade till lite metanol i lösningen för att fungera som elektrondonator. Blandningen exponerades för grönt och vitt ljus, med cirka 74 gånger mer väte producerat i det senare fallet. I genomsnitt, väteemissionen hölls vid en nästan konstant hastighet under minst två till tre timmar.

Även om experiment med en liknande nanostruktur har utförts tidigare, de använde bakteriorodopsin i ett naturligt cellmembran. Ersätter den med nanoskivor, forskarna producerade lika mycket väte eller mer, och de krävde till och med mindre bakteriodopsin för samma mängd titandioxid. Teamet misstänker att detta kan tillskrivas förmågan hos de kompakta och enhetliga nanoskivorna att samverka mer jämnt med de katalytiska partiklarna. Även om naturlig bakteriodopsin fortfarande är det billigare alternativet, tills vidare, det är möjligt att utvecklingen av artificiella biosyntesmetoder snart kommer att göra nanoskivor till ett mer genomförbart alternativ.